ES2770149B2 - Procedure and installation for the selective separation of gases in an oxy-combustion process by means of permeable oxygen membranes - Google Patents

Procedure and installation for the selective separation of gases in an oxy-combustion process by means of permeable oxygen membranes Download PDF

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Description

DESCRIPCI NDESCRIPTION

Procedimiento e instalación para la separación selectiva de gases en un proceso de oxicombustión mediante membranas permeables de oxígenoProcedure and installation for the selective separation of gases in an oxy-combustion process by means of permeable oxygen membranes

Campo de la invenciónfield of invention

La presente invención pertenece al campo de las membranas de separación de gases. Específicamente, se refiere a un nuevo proceso de producción simultánea de corrientes gaseosas separadas, de al menos dos gases seleccionados entre nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y dióxido de carbono a partir de membranas cerámicas permeables de oxígeno en un proceso basado en la oxicombustión. Por tanto, su uso se orienta principalmente a procesos de oxicombustión en los que se pueden utilizar diferentes composiciones de comburente para conseguir el producto deseado mientras que, al oxidar con oxígeno puro, se obtienen temperaturas de llama elevadas y se mejoran la combustión a la vez que se evita el contacto de N2 con los productos del proceso.The present invention belongs to the field of gas separation membranes. Specifically, it refers to a new process for the simultaneous production of separate gaseous streams of at least two gases selected from nitrogen, oxygen, hydrogen and carbon dioxide from oxygen-permeable ceramic membranes in a process based on oxy-combustion. Therefore, its use is mainly oriented to oxy-combustion processes in which different oxidizer compositions can be used to achieve the desired product while, when oxidizing with pure oxygen, high flame temperatures are obtained and combustion is improved at the same time. that the contact of N2 with the products of the process is avoided.

Estado de la técnica anterior a la invenciónState of the art prior to the invention

Introducción las membranas de permeación de oxígenoIntroduction to oxygen permeation membranes

Las membranas mixtas de conducción iónica-electrónica (MIEC) son un tipo de membranas cerámicas densas, en las cuales los iones de oxígeno difunden de un lado al otro a por las propiedades de la estructura cristalina debido a un gradiente de potencial químico del oxígeno entre ambos lados de la membrana. La selectividad de estas membranas es del 100% a oxígeno. Estas membranas operan a temperaturas elevadas (típicamente en el intervalo de 700-1000 °C) con presiones de aire elevadas (1-2 MPa) alimentadas al lado de retención y vacío en el lado de permeación, según Air Products & Chemicals Inc., lo que ha dado como resultado un gran avance en la comercialización de la tecnología de membranas MIEC para producciones de oxígeno puro.Mixed ion-electron conduction (MIEC) membranes are a type of dense ceramic membranes, in which oxygen ions diffuse from one side to the other through the properties of the crystalline structure due to a gradient of oxygen chemical potential between them. both sides of the membrane. The selectivity of these membranes is 100% to oxygen. These membranes operate at elevated temperatures (typically in the range of 700-1000°C) with high air pressures (1-2 MPa) fed to the retention side and vacuum on the permeation side, according to Air Products & Chemicals Inc., which has resulted in a breakthrough in the commercialization of MIEC membrane technology for pure oxygen productions.

El concepto de separar el oxígeno puro del aire utilizando una membrana MIEC fue propuesto explícitamente por Teraoka et al. en 1985. Esta investigación descubrió la permeación de oxígeno a través de óxidos de tipo perovskita, es decir, La1-xSrxCo1-yFeyO3-5 (0<x<1, 0<y<1), en el intervalo de temperatura de 450-877 °C, y alcanzaba flujo de permeación de oxígeno de hasta 3,1 ml cm-2 min-1 a través de una membrana de SrCo0.8Fe0.2O3-5 de 1 mm de espesor a 850°C. Posteriormente, los óxidos de tipo perovskita (ABO3) atrajeron considerable atención, afianzando el campo de las membranas MIEC gradualmente. El desarrollo de nuevos materiales ha ido mejorando progresivamente, enfocado a la mejora de la estabilidad de los materiales de membrana y su permeabilidad. Para mejorar la estabilidad, se han desarrollado muchos tipos de materiales de membrana mejorando los materiales de perovskita basados en cobalto mediante el dopado de cationes con estado de valencia estable en el sitio B y preparando materiales de perovskita libres de cobalto y materiales de doble fase.The concept of separating pure oxygen from air using a MIEC membrane was explicitly proposed by Teraoka et al. in 1985. This research discovered oxygen permeation through perovskite-type oxides, i.e. La1-xSrxCo1-yFeyO3-5 (0<x<1, 0<y<1), in the temperature range of 450- 877 °C, and reached oxygen permeation flux of up to 3.1 ml cm -2 min -1 through a 1 mm thick SrCo0.8Fe0.2O3-5 membrane at 850 °C. Subsequently, perovskite-type oxides (ABO3) attracted considerable attention, strengthening the field of MIEC membranes. gradually. The development of new materials has been progressively improving, focused on improving the stability of membrane materials and their permeability. To improve stability, many kinds of membrane materials have been developed by improving cobalt-based perovskite materials by doping cations with stable valence state at the B-site and preparing cobalt-free perovskite materials and double-phase materials.

Aplicaciones de las MIECMIEC Applications

Además de la separación de aire para la producción de oxígeno puro, otra importante aplicación de membranas MIEC es como reactores de membrana en el que las reacciones catalíticas se integran con el proceso de separación de oxígeno. Una reacción catalítica típica en los reactores de membranas MIEC es la oxidación parcial del gas natural para producir gas de síntesis. En este reactor de membrana, se alimenta aire al lado de retención y se alimenta gas natural al lado de permeación. Catalizadores basados en Ni suelen aplicarse en el lado de permeación que actúa como catalizador de la reacción. El oxígeno permeado desde el lado de retención reacciona con gas natural para producir gas de síntesis en el lado de permeación y, por lo tanto, este reactor de membrana acopla la separación de oxígeno y la reacción catalítica junto con una mayor eficiencia energética. La reacción catalítica consume el oxígeno permeado, aumentando así el gradiente de potencial químico de oxígeno a través de la membrana, y el flujo de oxígeno aumenta con ello considerablemente en comparación con el flujo para la producción de oxigeno puro. La deshidrogenación oxidativa de alcanos ligeros a olefinas y el acoplamiento de oxidación de metano a etano y etileno también se consideraron en los reactores de membrana MIEC. La principal ventaja de los reactores de membrana catalítica es que la selectividad de estas reacciones puede mejorarse en comparación con los reactores de lecho fijo tradicionales, porque el oxígeno en forma de red y no el oxígeno gaseoso es la especie de oxígeno activo para las reacciones de oxidación. En los reactores de membrana MIEC antes mencionados, se introduce selectivamente oxígeno en el sistema de reacción; por supuesto, el oxígeno puede eliminarse selectivamente del sistema de reacción mientras exista una diferencia de potencial químico de oxígeno a través de la membrana. El consumo de energía de este tipo de procesos de reactor de membrana MIEC pueden ahorrar en más del 60% en comparación con los procesos industriales tradicionales.In addition to the separation of air for the production of pure oxygen, another important application of MIEC membranes is as membrane reactors in which catalytic reactions are integrated with the oxygen separation process. A typical catalytic reaction in MIEC membrane reactors is the partial oxidation of natural gas to produce synthesis gas. In this membrane reactor, air is fed to the holding side and natural gas is fed to the permeation side. Ni-based catalysts are usually applied on the permeation side that acts as a catalyst for the reaction. Oxygen permeated from the retention side reacts with natural gas to produce synthesis gas on the permeation side, and therefore this membrane reactor couples oxygen separation and catalytic reaction together with higher energy efficiency. The catalytic reaction consumes the permeated oxygen, thus increasing the oxygen chemical potential gradient across the membrane, and the oxygen flux is thereby increased considerably compared to the flux for pure oxygen production. Oxidative dehydrogenation of light alkanes to olefins and oxidation coupling of methane to ethane and ethylene were also considered in MIEC membrane reactors. The main advantage of catalytic membrane reactors is that the selectivity of these reactions can be improved compared to traditional fixed bed reactors, because lattice oxygen and not gaseous oxygen is the active oxygen species for catalytic reactions. oxidation. In the aforementioned MIEC membrane reactors, oxygen is selectively introduced into the reaction system; of course, oxygen can be selectively removed from the reaction system as long as an oxygen chemical potential difference exists across the membrane. The energy consumption of this type of MIEC membrane reactor processes can save by more than 60% compared to traditional industrial processes.

Principios de operaciónPrinciples of operation

El oxígeno permea a través de la membrana vía tres principales pasos: (1) intercambio de oxígeno en la interfase de la membrana en el lado del aire, (2) difusión a través de la membrana y (3) intercambio de oxígeno en la interfase de la membrana en el lado de retención. Las reacciones de intercambio superficiales son complicadas debido a que por cada molécula de oxígeno que reacciona hay 4 electrones reaccionando. La reacción superficial puede simplificase a O2+4 e-^ 2 O - considerando a los electrones y los iones de oxígeno como portadores de carga y despreciando el camino de difusión de los iones oxígeno. Considerando los huecos electrónicos y las vacantes de oxígeno como portadores de carga, las reacciones de intercambio superficial se reescriben como: O2+2 Vq ^2 OQ+4 h' donde Vq , OQ y h* denota las vacantes de oxígeno, los iones de oxígeno ocupando el correspondiente sitio del oxígeno en la red cristalina y los agujeros respectivamente. Aunque la reacción global parezca simple, ésta recoge muchos subprocesos. Para la reacción de intercambio de oxígeno en el lado de retención, ampliamente investigada en el campo de las células de combustible de óxido sólido, se producen etapas como la adsorción, captura de electrones, disociación, captura de otro electrón e incorporación en la red cristalina. El mecanismo detallado aún no está claro, y puede cambiar dependiendo del material. El siguiente es un mecanismo ampliamente aceptado para el intercambio superficial de oxígeno en el lado de retención. (i) Adsorción: O2(g )^ O 2(ad); (ii) reacción con un electrón: O2(ad)+e-^O2(ad); (iii) cambio en el estado de adsorción: O2(ad) ^O2(ad,bi); (iv) reacción con un electrón: O2(ad,bi)+ 2 e-^ O 2-(ad,bi); (v) disociación: O2-(ad,bi)^-2O2(ad); reacción con un electrón: O2(ad)+e-^ O2(ad); (vi) incorporación de la red cristalina: O -(ad)+VQ ^ O O. Cada paso podría ser la etapa limitante del proceso global. Hay dos tipos de caminos de difusión para los iones de oxígeno a lo largo de la membrana: por las vacantes de oxígeno y por los defectos intersticiales del oxígeno. Para la mayoría de perovskitas y fluoritas del tipo ABO3, el transporte de iones oxígeno sigue el mecanismo de difusión intersticial o un hibrido entre ambas. En el proceso de permeación de oxígeno, el transporte de iones de oxígeno se produce desde el lado de la retención hasta el lado del permeado, mientras que los electrones son transferidos en dirección inversa. A diferencia de una bomba de oxígeno, basada en conductores de iones de oxígeno puros, las membranas MIEC pueden transferir electrones internamente, lo que simplifica la complejidad del sistema facilitando su aplicación a gran escala.Oxygen permeates through the membrane via three main steps: (1) oxygen exchange at the membrane interface on the air side, (2) diffusion through the membrane and (3) oxygen exchange at the membrane interface on the retention side. Surface exchange reactions are complicated because for every oxygen molecule that reacts there are 4 electrons reacting. The surface reaction can be simplified to O2+4 e-^ 2 O - considering electrons and oxygen ions as charge carriers and neglecting the diffusion path of oxygen ions. Considering electronic holes and oxygen vacancies as charge carriers, the surface exchange reactions are rewritten as: O2+2 V q ^2 OQ+4 h' where V q , OQ and h* denote oxygen vacancies, ions of oxygen occupying the corresponding oxygen site in the crystal lattice and the holes respectively. Although the global reaction seems simple, it collects many threads. For the holding-side oxygen exchange reaction, widely researched in the field of solid oxide fuel cells, steps such as adsorption, electron capture, dissociation, another electron capture, and incorporation into the crystal lattice occur. . The detailed mechanism is not yet clear, and may change depending on the material. The following is a widely accepted mechanism for the surface exchange of oxygen on the retention side. (i) Adsorption: O2(g )^ O 2(ad); (ii) reaction with one electron: O2(ad)+e-^O2(ad); (iii) change in adsorption state: O2(ad) ^O2(ad,bi); (iv) reaction with one electron: O2(ad,bi)+ 2 e-^ O 2-(ad,bi); (v) dissociation: O2-(ad,bi)^-2O2(ad); reaction with one electron: O2(ad)+e-^ O2(ad); (vi) incorporation of the crystal lattice: O -(ad)+VQ ^ O O. Each step could be the limiting step of the overall process. There are two types of diffusion pathways for oxygen ions across the membrane: through oxygen vacancies and through interstitial oxygen defects. For most perovskites and ABO3-type fluorites, oxygen ion transport follows the interstitial diffusion mechanism or a hybrid of both. In the oxygen permeation process, oxygen ion transport occurs from the retention side to the permeate side, while electrons are transferred in the reverse direction. Unlike an oxygen pump, based on pure oxygen ion conductors, MIEC membranes can transfer electrons internally, which simplifies the complexity of the system making it easy to apply on a large scale.

En resumen, el transporte del ion oxígeno es simultáneo al transporte de electrones o huecos electrónicos (portadores electrónicos), por lo que el material debe poseer suficiente conductividad electrónica en las condiciones de operación de la membrana. La fuerza impulsora responsable del transporte de oxígeno a través de la membrana es la diferencia de presión parcial de oxígeno entre ambos lados de la membrana. De este modo, el flujo de oxígeno a través de una membrana viene determinado por la temperatura y la diferencia de presión parcial del oxígeno además del espesor de la membrana.In summary, the transport of the oxygen ion is simultaneous to the transport of electrons or electronic holes (electronic carriers), so the material must have sufficient electronic conductivity under the operating conditions of the membrane. The driving force responsible for the transport of oxygen across the membrane is the difference in partial pressure of oxygen between the two sides of the membrane. In this way, the flow of oxygen through a membrane is determined by the temperature and the difference in partial pressure of oxygen as well as the thickness of the membrane.

Otro paso crucial en el proceso de separación de oxígeno en membranas de transporte iónico es el intercambio gaseoso. Como se ha mencionado, el transporte a través de la capa selectiva de separación consiste en la difusión de iones oxígeno y portadores electrónicos. Por tanto, son necesarios dos reacciones superficiales, una primera en la que el oxígeno gaseoso se adsorbe y se transforma en iones oxígeno en la superficie de la membrana expuesta a los gases de alimentación, generalmente aire comprimido, y, una segunda, en la que los iones oxígeno se transforman en oxígeno molecular y se desorbe. Por distintas razones, estas etapas de transporte pueden ser limitantes y producir una disminución del flujo de permeación a través de la membrana. Entre las distintas razones posibles, podemos destacar: (1) el espesor de la capa selectiva de separación es muy pequeño, de manera la difusión a través del sólido es mucho más rápida que el intercambio gaseoso. Típicamente, está dimensión crítica se denomina "longitud característica” y es el cociente entre el coeficiente de difusión y la constante cinética de la reacción de intercambio gaseoso superficial en las condiciones de operación y composición de gases en contacto con la superficie de la membrana; (2) La superficie de la membrana no posee actividad catalítica apreciable para la reacción de activación de oxígeno; (3) Las atmósferas gaseosas en contacto con la superficie o superficies de la membrana desfavorecen la adsorción/desorción del oxígeno molecular y su evolución a través de la reacción O2 2e-^ O-2. En procesos relevantes desde el punto vista industrial, tanto el permeado como la alimentación suelen presentar cantidades apreciables de gases ácidos como CO2 y SO2, que dificultan dicha reacción ya que pasivan o inactivan la superficie y compiten con los centros de adsorción y reacción involucrados en la reacción de intercambio gaseoso de oxígeno. Este efecto pernicioso se acentúa conforme se disminuye la temperatura de operación del proceso, especialmente por debajo de 850 °C, y cuando se aumenta la concentración de SO2 y CO2. Especialmente negativo es el efecto del gas SO2, ya que concentraciones por encima de 5 ppm producen efectos severos en la permeación de oxígeno a través de la membrana.Another crucial step in the oxygen separation process in ion transport membranes is gas exchange. As mentioned, the transport through the selective separation layer consists of the diffusion of oxygen ions and electronic carriers. Therefore, two surface reactions are necessary, a first one in which gaseous oxygen is adsorbed and transformed into oxygen ions on the surface of the membrane exposed to the feed gases, generally compressed air, and a second one, in which oxygen ions are converted to molecular oxygen and desorbed. For various reasons, these transport steps can be limiting and cause a decrease in permeation flux through the membrane. Among the different possible reasons, we can highlight: (1) the thickness of the selective separation layer is very small, so diffusion through the solid is much faster than gas exchange. Typically, this critical dimension is called "characteristic length" and is the quotient between the diffusion coefficient and the kinetic constant of the superficial gas exchange reaction under the operating conditions and composition of gases in contact with the membrane surface; ( 2) The surface of the membrane does not have appreciable catalytic activity for the oxygen activation reaction; (3) Gaseous atmospheres in contact with the surface or surfaces of the membrane discourage the adsorption/desorption of molecular oxygen and its evolution through the reaction O2 2e-^ O -2 In relevant processes from an industrial point of view, both the permeate and the feed usually present appreciable amounts of acid gases such as CO2 and SO2, which make this reaction difficult since they passivate or inactivate the surface and compete with the adsorption and reaction centers involved in the oxygen gas exchange reaction.This pernicious effect is accentuated as the operating temperature of the process decreases, especially below 850 °C, and when the concentration of SO2 and CO2 increases. Especially negative is the effect of SO2 gas, since concentrations above 5 ppm produce severe effects on oxygen permeation through the membrane.

La diferencia de presión parcial de oxígeno entre ambos lados de la membrana se puede alcanzar a través de dos acciones: (a) aumentando la presión del aire a través de etapas de compresión; y/o (b) disminuyendo la presión parcial de oxígeno en el permeado, lo cual es posible aplicando vacío, diluyendo el oxígeno en el permeado mediante una corriente gaseosa de arrastre o consumiendo el oxígeno en la cámara de arrastre. Esta última opción suele consistir en recircular los gases de salida del horno o caldera de combustión, incrementando al mismo tiempo la temperatura de operación. Asimismo, en línea con la segunda opción, es posible hacer pasar un gas reductor (generalmente metano u otros hidrocarburos) que consume el oxígeno que permea a través de membrana para dar productos de combustión completa o parcial y liberar calor directamente en contacto con la membrana cerámica.The difference in oxygen partial pressure between both sides of the membrane can be achieved through two actions: (a) increasing the air pressure through compression stages; and/or (b) by lowering the partial pressure of oxygen in the permeate, which is possible by applying a vacuum, diluting the oxygen in the permeate by a stripping gas stream, or consuming the oxygen in the stripping chamber. This last option It usually consists of recirculating the exhaust gases from the furnace or combustion boiler, increasing the operating temperature at the same time. Likewise, in line with the second option, it is possible to pass a reducing gas (generally methane or other hydrocarbons) that consumes the oxygen that permeates through the membrane to give products of complete or partial combustion and release heat directly in contact with the membrane. ceramics.

Tipos de materiales para membranas MIECsTypes of materials for MIECs membranes

Para entender las membranas MIEC, se suelen utilizar 5 criterios de clasificación basados en la estructura cristalina, la composición de fases, la composición química, la geometría y la configuración de la capa densa.To understand MIEC membranes, 5 classification criteria based on crystal structure, phase composition, chemical composition, geometry, and dense layer configuration are commonly used.

Considerando su estructura cristalina, se pueden clasificar las membranas MIEC en perovskitas, membranas derivadas de perovskitas y fluoritas. La mayoría de las membranas MIEC tienen una estructura cristalina de tipo perovskita (ABO3), donde A es un catión de gran tamaño y B es un catión más pequeño. Una perovskita es una red cristalina construida con octaedros de BO6 con iones A localizados en 12 intersticios localizados. Algunas MIEC tienen una estructura cristalina similar a una perovskita, como las de Ruddlesde-Popper (R-P) con una fórmula de An+1BnO3n+1 (n=1,2, 3, ...). La estructura cristalina de esta fase es similar a la de la perovskita en que un número de bloques perovskita (n) tienen una esquina compartida con el octaedro BO6 modificado con la capa AO a lo largo del eje c. Algunas MIEC tienen una estructura de fluorita, siendo el ejemplo típico los materiales basados en CeO2.Considering their crystalline structure, MIEC membranes can be classified into perovskites, perovskite-derived membranes, and fluorites. Most MIEC membranes have a perovskite (ABO3) type crystal structure, where A is a large cation and B is a smaller cation. A perovskite is a crystal lattice built with octahedrons of BO 6 with A ions located in 12 localized interstices. Some MIEC have a crystalline structure similar to a perovskite, such as those from Ruddlesde-Popper (RP) with a formula of An+1BnO3n+1 (n=1,2, 3, ...). The crystal structure of this phase is similar to that of perovskite in that a number of perovskite blocks (n) have a shared corner with the AO-layer modified BO6 octahedron along the c-axis. Some MIEC have a fluorite structure, the typical example being CeO2 based materials.

Si las membranas solo tienen un tipo de fase cristalina se habla de membranas monofásicas. La mayoría de las membranas de perovskita son monofásicas, por ejemplo, La1-xSrxCo1-yFeyO3-5 (0<x<1; 0<y<1). Si la membrana tiene dos fases y ambas contribuyen a la permeación de oxígeno se habla de membranas de fase dual. Un ejemplo son las membranas YSZ-Pd, que contienen una fluorita, YSZ, para el transporte de iones de oxígeno y una fase metálica, Pd, para el transporte de electrones. Si la membrana tiene dos o más fases y solo una contribuye a la permeación de oxígeno se habla de composite. La fase inerte se añade para mejorar alguna propiedad del material (la resistencia mecánica, por ejemplo). Por ejemplo, en el composite SrCo0.8Fe0.2O3-s-SrSnO3 comprende dos perovskitas donde la fase SrSnO3 es inerte con respecto a la permeación de oxígeno, pero mejora las propiedades mecánicas de la membrana. If the membranes only have one type of crystalline phase, they are called monophasic membranes. Most perovskite membranes are single phase, eg La1-xSrxCo1-yFeyO3-5 (0<x<1;0<y<1). If the membrane has two phases and both contribute to oxygen permeation, it is called dual phase membranes. An example is the YSZ-Pd membranes, which contain a fluorite, YSZ, for the transport of oxygen ions and a metallic phase, Pd, for the transport of electrons. If the membrane has two or more phases and only one contributes to oxygen permeation, it is called a composite. The inert phase is added to improve some property of the material (mechanical resistance, for example). For example, in the composite SrCo 0.8 Fe 0.2 O 3 -s-SrSnO 3 it comprises two perovskites where the SrSnO3 phase is inert with respect to oxygen permeation, but improves the mechanical properties of the membrane.

Al principio del desarrollo de las membranas de tipo perovskita, los estudios se centraban en las que incorporaban Co en la posición cristalina B debido a que las membranas basadas en Co presentan una elevada conductividad de oxígeno (por ejemplo, en Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-s). No obstante, los cationes de cobalto pueden ser fácilmente reducidos a un estado de valencia menor debido a los débiles enlaces de Co-O que es inestable en ambiente reductores. Por lo tanto, se han desarrollado perovskitas libres de Co. Por ejemplo, BaCe0.05Fe0.95O3-s presentan conductividades de oxígeno menores en comparación de la respectiva perovskita basada en Co, pero presentan elevadas estabilidades incluso en H2 a elevadas temperaturas.At the beginning of the development of perovskite-type membranes, studies focused on those incorporating Co in the B crystalline position because Co-based membranes have high oxygen conductivity (for example, in Ba0.5Sr0.5Co0. 8Fe0.2O3-s). However, cobalt cations can be easily reduced to a lower valence state due to the weak Co-O bonding which is unstable in reducing environments. Therefore, Co-free perovskites have been developed. For example, BaCe0.05Fe0.95O3-s exhibit lower oxygen conductivities compared to the respective Co-based perovskite, but exhibit high stabilities even in H2 at elevated temperatures.

Las geometrías más comunes son membranas planas, tubulares y fibras huecas. Finalmente, considerando la configuración de la capa densa se habla de autosoportadas en las membranas compuestas de una única capa de membrana que presenta suficiente espesor para soportar la integridad de la membrana y asimétrica cuando las capas de membrana densa tienen una capa porosa que permite utilizar espesores más pequeños ya que la integridad de la membrana esta soportado por la capa porosa.The most common geometries are flat, tubular and hollow fiber membranes. Finally, considering the configuration of the dense layer, we speak of self-supporting in membranes composed of a single membrane layer that is thick enough to support the integrity of the membrane and asymmetric when the dense membrane layers have a porous layer that allows thicknesses to be used. smaller since the integrity of the membrane is supported by the porous layer.

Para su uso práctico, las membranas de separación de oxígeno a alta temperatura a través de transporte iónico están formadas, generalmente, por los siguientes componentes:For practical use, high-temperature oxygen separation membranes via ion transport generally consist of the following components:

(i) Un soporte poroso, generalmente hecho o bien del mismo material del que está hecho la capa de separación o de un material (cerámico o metálico) compatible con la capa de separación. Compatible significa que tengan un perfil de expansión similar en función de la temperatura y que no tenga lugar una reacción entre ambas fases a altas temperaturas para dar lugar a terceras fases, que generalmente resultan en la degradación y rotura de la membrana. La porosidad de soporte suele estar comprendida entre 20 y 60%, y su espesor es variable, típicamente por debajo de 2 mm.(i) A porous support, generally made either of the same material as the separating layer or of a material (ceramic or metallic) compatible with the separating layer. Compatible means that they have a similar expansion profile as a function of temperature and that a reaction between the two phases does not take place at high temperatures to give rise to third phases, which generally result in degradation and rupture of the membrane. The support porosity is usually between 20 and 60%, and its thickness is variable, typically below 2 mm.

(ii) Sobre el soporte poroso se sitúa una capa o película no porosa, preferiblemente con un espesor inferior a 150 pm. Esta capa está constituida por óxidos o mezclas de óxidos y permite el transporte simultáneo de iones oxígeno y portadores electrónicos a su través.(ii) A non-porous layer or film is placed on the porous support, preferably with a thickness of less than 150 pm. This layer is made up of oxides or mixtures of oxides and allows the simultaneous transport of oxygen ions and electronic carriers through it.

(iii) Sobre la capa no porosa existe adherida una capa porosa con un espesor preferiblemente entre 100 y 10 pm, hecha de un material que posee conductividad mixta iónica y electrónica a la vez que actividad catalítica para la adsorción/desorción de oxígeno y su disociación e ionización. Esta capa catalítica permite mejorar los procesos de incorporación y eliminación de oxígeno gaseoso.(iii) On the non-porous layer there is adhered a porous layer with a thickness preferably between 100 and 10 pm, made of a material that possesses mixed ionic and electronic conductivity as well as catalytic activity for oxygen adsorption/desorption and its dissociation and ionization. this layer catalytic allows to improve the processes of incorporation and elimination of gaseous oxygen.

En algunos casos, existe una capa catalítica porosa adicional entre el soporte poroso y la capa de separación no porosa que tiene la función de mejorar las etapas de intercambio gaseoso, en especial cuando el soporte poroso no posee ni actividad catalítica ni permite llevar a cabo el transporte de iones oxígeno ni portadores electrónicos. Generalmente, las propiedades del soporte poroso y la capa catalítica porosa adicional son bastante semejantes, si bien por lo general el área específica superficial del soporte poroso es superior.In some cases, there is an additional porous catalytic layer between the porous support and the non-porous separation layer that has the function of improving the gas exchange stages, especially when the porous support has neither catalytic activity nor allows carrying out the transport of oxygen ions or electron carriers. Generally, the properties of the porous support and the additional porous catalyst layer are quite similar, although the specific surface area of the porous support is generally higher.

Opcionalmente también puede ser necesaria otra capa no-porosa adicional (v). Esta capa se situaría entre la capa no porosa y la capa porosa, y serviría de protección de la capa de separación frente a posibles interacciones o reacciones de degradación en contacto con la capa (iii) o con los gases de operación en contacto con la capa porosa. Esta capa adicional debe permitir el transporte de iones oxígeno y portadores de oxígeno a la vez que ser compatible termo-químicamente con las capas adyacentes y con los gases con los que esté en contacto.Optionally, another additional non-porous layer (v) may also be necessary. This layer would be located between the non-porous layer and the porous layer, and would serve to protect the separation layer against possible interactions or degradation reactions in contact with layer (iii) or with the operating gases in contact with the layer. porous. This additional layer must allow the transport of oxygen ions and oxygen carriers while being thermochemically compatible with the adjacent layers and with the gases with which it is in contact.

Reactor de membranamembrane reactor

Un reactor de membrana es una unidad que combina un sistema reactivo con un proceso de separación mediante membranas selectivas con el fin de añadir o quitar reactivos o productos con el fin de mejorar la eficiencia del sistema. En los reactores de membrana, las membranas se introducen con los siguientes propósitos: extracción selectiva de reactivos, retención del catalizador, dosificación de un reactivo, soporte del catalizador. Todo ello conlleva incrementos de la eficiencia de las reacciones en sistemas limitados por el equilibrio termodinámico, evitando reacciones secundarias, protegiendo el catalizador de posibles compuestos que lo desactiven, etc.A membrane reactor is a unit that combines a reagent system with a separation process using selective membranes in order to add or remove reagents or products in order to improve the efficiency of the system. In membrane reactors, membranes are introduced for the following purposes: selective reagent removal, catalyst retention, reagent dosing, catalyst support. All this leads to increases in the efficiency of reactions in systems limited by thermodynamic equilibrium, avoiding secondary reactions, protecting the catalyst from possible compounds that deactivate it, etc.

- Oxicombustión- Oxy-combustion

La oxicombustión consiste en la utilización de una corriente de O2 de elevada pureza como comburente en lugar de aire, como se realiza en los procesos de combustión convencionales, alcanzando de esta forma temperaturas de llama más elevadas con menor consumo de combustible y logrando así mejorar la combustión. El uso de comburentes ricos en oxígeno hace posible obtener gases de combustión con una composición que consiste principalmente en CO2 y vapor de agua. La elevada concentración de CO2 de los gases de salida en el proceso de oxicombustión facilita la potencial separación del mismo. Oxy-combustion consists of using a stream of high purity O2 as oxidizer instead of air, as is done in conventional combustion processes, thus reaching higher flame temperatures with less fuel consumption and thus improving the combustion. The use of oxygen-rich oxidizers makes it possible to obtain combustion gases with a composition consisting mainly of CO2 and water vapour. The high concentration of CO2 in the exhaust gases in the oxy-combustion process facilitates its potential separation.

De hecho, este proceso de oxicombustión en plantas térmicas o intensivas en el uso de energía hace posible producir energía eléctrica o productos industriales a partir de combustibles fósiles minimizando la emisión de CO2, siendo tecnológica y económicamente factible gracias a su integración con tecnologías de captura y almacenamiento de CO2. Estos procesos presentan eficiencias energéticas elevadas, lo que permite reducir el consumo de combustible y disminuir el tamaño de las unidades y equipos industriales. Igualmente, en el caso de realizar la combustión únicamente con oxígeno en lugar de aire y no alimentar N2 al horno, reactor o caldera, se consigue reducir considerablemente las emisiones de NOX (salvo por el nitrógeno que pueda contener la corriente combustible). Por lo tanto, este proceso presenta la ventaja de facilitar la separación y captura de CO2, que puede ser posteriormente licuado, transportado y almacenado o utilizado en otros procesos industriales y reducir al mínimo las emisiones de CO2 y de NOX, así como aumentar substancialmente la eficiencia energética del proceso. Ejemplos de industrias intensivas en el uso de energía que necesitan el uso de oxígeno son la industria del vidrio, incineradoras, manufactura de fritas, esmaltes y pinturas, metalurgia, siderurgia, industria química, de refino y petroquímica. Uno de los sectores industriales en los que el uso de oxígeno hace posible la oxicombustión es el de fusión de vidrios y fabricación de fritas, esmaltes y colores cerámicos. En este tipo de industrias, la necesidad de alcanzar temperaturas superiores a los 1500 °C en el interior de los hornos, para poder así fundir la mezcla de materias primas que se introduce, se consigue usando oxígeno en vez de aire en los quemadores de gas natural.In fact, this oxy-combustion process in thermal or energy-intensive plants makes it possible to produce electrical energy or industrial products from fossil fuels while minimizing CO2 emissions, being technologically and economically feasible thanks to its integration with capture and CO2 storage. These processes have high energy efficiencies, which makes it possible to reduce fuel consumption and reduce the size of industrial units and equipment. Likewise, in the case of carrying out the combustion only with oxygen instead of air and not feeding N2 to the furnace, reactor or boiler, it is possible to considerably reduce NOX emissions (except for the nitrogen that the fuel current may contain). Therefore, this process has the advantage of facilitating the separation and capture of CO2, which can be subsequently liquefied, transported and stored or used in other industrial processes and minimizing CO2 and NOX emissions, as well as substantially increasing the energy efficiency of the process. Examples of energy-intensive industries that require the use of oxygen are the glass industry, incinerators, manufacturing of frits, enamels and paints, metallurgy, iron and steel, chemical, refining and petrochemical industries. One of the industrial sectors in which the use of oxygen makes oxy-combustion possible is glass melting and the manufacture of frits, glazes and ceramic colours. In this type of industry, the need to reach temperatures above 1500 °C inside the furnaces, in order to melt the mixture of raw materials that is introduced, is achieved by using oxygen instead of air in the gas burners. natural.

Las membranas de oxígeno también pueden aplicarse en el enriquecimiento del aire, de manera que se aumenta la concentración de oxígeno de 21% a valores superiores, típicamente por encima del 24%. Este aumento en la concentración es necesario en determinados procesos de combustión o de conversión química en los que el poder calorífico del producto a tratar, generalmente un combustible, es insuficiente como para mantener unas condiciones adecuadas de operación. Un ejemplo típico del enriquecimiento es el uso en cementeras que utilizan combustibles alternativos o incineran residuos durante la manufactura del clínker.Oxygen membranes can also be applied in air enrichment, increasing the oxygen concentration from 21% to higher values, typically above 24%. This increase in concentration is necessary in certain combustion or chemical conversion processes in which the calorific value of the product to be treated, generally a fuel, is insufficient to maintain adequate operating conditions. A typical example of enrichment is the use in cement plants that use alternative fuels or incinerate residues during the manufacture of clinker.

La oxicombustión apunta a ser una de las tecnologías más económicas para la captura de CO2, siendo su principal inconveniente la elevada demanda de O2 que presenta y el coste que la obtención de éste conlleva. El gran reto de esta tecnología se encuentra en la producción de O2 para lograr suministrar las elevadas cantidades que se requieren. Oxy-combustion aims to be one of the cheapest technologies for CO2 capture, its main drawback being the high demand for O2 that it presents and the cost that obtaining it entails. The great challenge of this technology is found in the production of O2 to be able to supply the high amounts that are required.

Residuos industríales y corrientes desechadas en las plantas industrialesIndustrial residues and streams disposed of in industrial plants

La mayoría de plantas industriales genera corrientes que no son interesantes para el proceso. Ante la imposibilidad de encontrar una aplicación útil a estas corrientes generalmente acaba siendo quemadas. En la mayoría de casos la mayor revalorización que se hace con estas corrientes es aprovechar el calor de la combustión para mejorar la eficiencia energética del proceso. En plantas petroquímicas y refinerías se generan muchas corrientes que acaban siendo quemadas al no tener ninguna aplicación posible (producción de O2 y N2).Most industrial plants generate currents that are not interesting for the process. Given the impossibility of finding a useful application for these currents, they generally end up being burned. In most cases, the greatest revaluation that is made with these currents is to take advantage of the heat of combustion to improve the energy efficiency of the process. In petrochemical plants and refineries, many currents are generated that end up being burned as they do not have any possible application (O2 and N2 production).

El oxígeno es un importante gas industrial que es ampliamente utilizado en las industrias químicas, la metalurgia ferrosa, vidrio, generación de energía limpia, protección del medio ambiente, entre otros. En la actualidad, la destilación criogénica es la única tecnología de comercialización para la producción a gran escala de oxígeno puro. En los últimos 100 años, la tecnología criogénica ha madurado gradualmente, y sólo hay espacio marginal para reducir el consumo de energía en la producción de oxígeno puro. Sin embargo, el costo actual de producción de oxígeno puro es aún demasiado alto para ser aceptado por muchos procesos industriales, como el proceso de generación de energía limpia, es decir, el proceso de oxicorte con captura de CO2, en el que el aire es reemplazado por oxígeno puro para la combustión de combustibles fósiles. Otra tecnología madurada para la separación de oxígeno del aire es la adsorción por oscilación de presión (PSA) usando zeolitas como adsorbentes. Sin embargo, la pureza de oxígeno producida a través del proceso de PSA es inferior al 95%, y es económica sólo en la separación de oxígeno a medio o a pequeña escala. Por lo tanto, la tecnología PSA no es adecuada para los procesos industriales a gran escala antes mencionados. En comparación con la tecnología de destilación criogénica, la tecnología de membrana MIEC para la producción de oxígeno puro tiene un bajo consumo de energía y menos inversión de capital y se integra fácilmente con los procesos industriales a gran escala.Oxygen is an important industrial gas that is widely used in chemical industries, ferrous metallurgy, glass, clean power generation, environmental protection, and so on. At present, cryogenic distillation is the only commercialized technology for the large-scale production of pure oxygen. Over the last 100 years, cryogenic technology has gradually matured, and there is only marginal room to reduce energy consumption in pure oxygen production. However, the current cost of pure oxygen production is still too high to be accepted by many industrial processes, such as the clean energy generation process, i.e. the CO2 capture flame cutting process, in which air is replaced by pure oxygen for the combustion of fossil fuels. Another matured technology for the separation of oxygen from air is pressure swing adsorption (PSA) using zeolites as adsorbents. However, the purity of oxygen produced through the PSA process is less than 95%, and it is economical only in medium or small scale oxygen separation. Therefore, PSA technology is not suitable for the aforementioned large-scale industrial processes. Compared with cryogenic distillation technology, MIEC membrane technology for pure oxygen production has low energy consumption and capital investment and is easily integrated with large-scale industrial processes.

El nitrógeno es un gas industrial ampliamente utilizado como gas inerte mientras que el oxígeno que pueda presentar el gas no represente un riesgo de incendio, explosión o posible oxidante. De la misma manera que la producción de oxígeno, la destilación criogénica es la única manera de producirlo a gran escala y, para pequeña o media escala, la tecnología PSA también puede ser competitiva. La utilización de módulos de membranas de MIEC para producir nitrógeno es posible con suficiente área de membrana a través de procesos de oxicombustión con defecto de aire, de modo que el aire del proceso se empobrece notablemente en oxígeno a lo largo del módulo, hasta llegar a niveles muy bajos de éste. De modo que, de la misma manera que para la producción de oxígeno puro, en comparación con la destilación criogénica, la tecnología de membrana MIEC para la producción de nitrógeno puro tiene un bajo consumo de energía y menos inversión de capital y se integra fácilmente con los procesos industriales a gran escala.Nitrogen is an industrial gas widely used as an inert gas as long as the oxygen that the gas may contain does not represent a risk of fire, explosion or possible oxidizing. In the same way as the production of oxygen, cryogenic distillation is the only way to produce it on a large scale and, for small or medium scale, PSA technology can also be competitive. The use of MIEC membrane modules to produce nitrogen is possible with sufficient membrane area through air-deficient oxy-combustion processes, so that the process air is significantly depleted of oxygen throughout the module, until it reaches very levels low of this one. So, in the same way as for pure oxygen production, compared to cryogenic distillation, MIEC membrane technology for pure nitrogen production has low energy consumption and capital investment and is easily integrated with large-scale industrial processes.

TurbomáquinasTurbomachines

Las turbomáquinas son equipos que intercambian energía entre un rotor y un fluido. Esta transferencia de energía supone un cambio en la presión del fluido y puede darse en ambos sentidos: mientras que las turbinas transfieren energía desde el fluido al rotor, los compresores transfieren energía desde el rotor hasta el fluido para provocar cambios en la presión del fluido.Turbomachines are equipment that exchange energy between a rotor and a fluid. This energy transfer involves a change in fluid pressure, and it can go both ways: while turbines transfer energy from the fluid to the rotor, compressors transfer energy from the rotor to the fluid to cause changes in fluid pressure.

Los componentes principales de una turbomáquina son: (i) un elemento giratorio que lleva paletas que funcionan en una corriente de fluido, (ii) un elemento o elementos estacionarios que generalmente actúan como paletas o guías para que la dirección del flujo y la conversión de energía estén adecuadamente controlados, (iii) una entrada y / o un eje de salida, y (iv) el ensamblaje. El elemento giratorio que lleva las paletas es también conocido por los nombres de rotor, corredor, impulsor, etc., dependiendo de la aplicación particular. La transferencia de energía ocurre solamente debido al intercambio de impulso entre el fluido que fluye y los elementos giratorios. Generalmente, todas las turbomáquinas están bien aisladas, con lo que los procesos que alberga trabajan en régimen adiabático.The main components of a turbomachine are: (i) a rotating element that carries vanes that operate in a fluid stream, (ii) a stationary element or elements that generally act as vanes or guides so that the direction of the flow and the conversion of power are adequately controlled, (iii) an input and/or output shaft, and (iv) the assembly. The rotating element that carries the vanes is also known by the names of rotor, runner, impeller, etc., depending on the particular application. The energy transfer occurs solely due to the momentum exchange between the flowing fluid and the rotating elements. Generally, all turbomachines are well insulated, with which the processes they house work in an adiabatic regime.

Para fluidos incompresibles (la mayoría de fluidos líquidos) la presurización del fluido no supone cambios (significativos) en la energía interna y, por lo tanto, la temperatura no presenta cambios debido al proceso.For incompressible fluids (most liquid fluids) pressurization of the fluid results in no (significant) change in internal energy and therefore no change in temperature due to the process.

Para gases ideales, los cambios de presión en una turbomáquina funcionando en régimen adiabático provocan que el proceso tenga lugar isoentrópicamente y que la energía transferida entre el rotor y el fluido genere cambios en la energía interna del fluido que se traducen en cambios de temperatura. Considerando la primera ley de la temperatura, los cambios de temperatura en una turbomáquina en régimen adiabático para un gas ideal se Y-1 For ideal gases, pressure changes in a turbomachine operating in an adiabatic regime cause the process to take place isentropically and the energy transferred between the rotor and the fluid generates changes in the internal energy of the fluid that translate into temperature changes. Considering the first law of temperature, the temperature changes in a turbomachine in adiabatic regime for an ideal gas are Y -1

describen mediante la siguiente ecuación: Tend=T0 (pend/p 0) Y donde Tend y T0 son las temperaturas de salida y entrada respectivamente, pend y p0 son las presión de salida y entrada respectivamente, y es el coeficiente de dilatación adiabática. Por lo tanto, considerando el proceso, cuando la turbomáquina provoca un aumento de la presión del gas, la temperatura del fluido aumenta y, cuando la turbomáquina provoca una expansión del gas, la temperatura disminuye.They are described by the following equation: Tend=T0 (pend/p 0) And where Tend and T0 are the outlet and inlet temperatures respectively, pend and p0 are the outlet and inlet pressure respectively, and is the coefficient of adiabatic expansion. Therefore, considering the process, when the turbomachine causes an increase in the pressure of the gas, the temperature of the fluid increases and, when the turbomachine causes an expansion of the gas, the temperature decreases.

Finalmente, las turbomáquinas reales presentan pérdidas debido a que el aislamiento térmico no es perfecto y la fricción del fluido con el equipo. Por ello, en la práctica se establecen rendimientos de las turbomáquinas sobre el comportamiento ideal para la completa caracterización del proceso. Generalmente, con respecto a turbomáquinas para fluidos incompresibles el proceso queda bien definido con el rendimiento mecánico. Respecto a turbomáquinas para gases, el proceso queda bien definido con el rendimiento mecánico y el rendimiento isoentrópico.Finally, real turbomachines present losses due to the fact that the thermal insulation is not perfect and the friction of the fluid with the equipment. For this reason, in practice, turbomachinery performances are established on the ideal behavior for the complete characterization of the process. Generally, with respect to turbomachinery for incompressible fluids, the process is well defined with the mechanical performance. Regarding gas turbomachinery, the process is well defined with the mechanical performance and the isentropic performance.

Estos equipos se utilizan en centrales de energía para transformar calor en energía eléctrica debido a que la energía de presurización y despresurización aumenta con la temperatura. Para ello un fluido es presurizado a bajas temperaturas. El fluido presurizado es calentado, generalmente a partir del calor de una combustión. El fluido calentado se introduce en una turbina donde se transforma la energía mecánica transmitida al rotor en energía eléctrica. Finalmente, el fluido se lleva a las condiciones de partida para cerrar el ciclo. La diferencia entre la energía que requiere el sistema para presurizar el fluido y la que se obtiene al despresurizar en la turbina, se transforma en energía eléctrica. Este proceso se lleva a cabo mayoritariamente con agua ya que permite que la presurización se realice sobre un líquido (lo cual es mucho menos costoso que con un gas) y en este caso se denomina ciclo de potencia Rankine. También hay muchas aplicaciones que emplean un circuito completo de gases y en este caso se denomina ciclo de potencia Brayton, por ejemplo, las turbinas de los aviones que incorporan dentro del mismo ensamblaje, el compresor de aire, la zona de combustión y la turbina. Este tipo de ensamblajes (compresor, zona de combustión, turbina) se denominan turbinas de gases.This equipment is used in power plants to transform heat into electrical energy because the pressurization and depressurization energy increases with temperature. For this, a fluid is pressurized at low temperatures. The pressurized fluid is heated, generally from the heat of combustion. The heated fluid is introduced into a turbine where the mechanical energy transmitted to the rotor is transformed into electrical energy. Finally, the fluid is brought back to the starting conditions to close the cycle. The difference between the energy required by the system to pressurize the fluid and that obtained by depressurizing it in the turbine is transformed into electrical energy. This process is carried out mostly with water since it allows the pressurization to be carried out on a liquid (which is much less expensive than with a gas) and in this case it is called Rankine power cycle. There are also many applications that use a complete gas circuit and in this case it is called the Brayton power cycle, for example, aircraft turbines that incorporate within the same assembly, the air compressor, the combustion zone and the turbine. These types of assemblies (compressor, combustion zone, turbine) are called gas turbines.

Intercambiadores de calorHeat exchangers

Los sistemas intercambiadores de calor son sistemas que permiten que el intercambio de calor entre, al menos, dos fluidos. Son equipos ampliamente utilizados en sistema de refrigeración o calefacción, estaciones de energía, plantas químicas e industria petroquímica entre otros. Estos equipos pueden ir integrados dentro de procesos donde se requiera incorporar (o evacuar) calor al sistema. Son equipos muy versátiles generalmente construidos mediante aleaciones metálicas para favorecer el intercambio de calor. Heat exchanger systems are systems that allow heat exchange between at least two fluids. They are equipment widely used in refrigeration or heating systems, power stations, chemical plants and petrochemical industry, among others. This equipment can be integrated into processes where it is required to incorporate (or evacuate) heat to the system. They are very versatile equipment, generally built using metal alloys to favor heat exchange.

Los sistemas intercambiadores de calor pueden disponer los flujos de los diferentes fluidos en co-corriente, contracorriente y en flujo cruzado. En el sistema co-corriente el fluido caliente y el frio van en la misma dirección. En el sistema contracorriente el fluido caliente y el frio circulan a través del equipo en direcciones opuestas. En el sistema de flujo cruzado ambos flujos van direcciones perpendiculares.Heat exchanger systems can arrange the flows of the different fluids in co-current, counter-current and cross-flow. In the co-current system, the hot and cold fluids go in the same direction. In the countercurrent system, the hot and cold fluid circulate through the equipment in opposite directions. In the cross flow system both flows go in perpendicular directions.

Un intercambiador de placas convencional está conformado una sucesión de finas placas que se encuentran selladas por juntas. Las juntas además de evitar la mezcla de los fluidos y establecen los canales de circulación del fluido. El conjunto de las placas se comprime con dos planchas metálicas rígidas haciendo una distribución de flujos paralelos donde uno de los fluidos circula en los canales pares, y el otro fluido circula en los canales impares. Hoy en día pueden encontrarse juntas de grafito, caucho, y otros materiales, en función de la compatibilidad del fluido a utilizar. La configuración de los intercambiadores de placas convencionales se muestra en la Figura 15.A conventional plate heat exchanger is made up of a succession of thin plates that are sealed by gaskets. The joints, in addition to avoiding the mixing of the fluids, establish the fluid circulation channels. The set of plates is compressed with two rigid metal plates making a distribution of parallel flows where one of the fluids circulates in the even channels, and the other fluid circulates in the odd channels. Today you can find gaskets made of graphite, rubber, and other materials, depending on the compatibility of the fluid to be used. The configuration of conventional plate heat exchangers is shown in Figure 15.

El documento US6139604 describe un proceso para la producción de oxígeno y nitrógeno a partir de un gas de alimentación que contiene una mezcla de oxígeno y nitrógeno que comprende comprimir el gas de alimentación en un compresor de aire para producir un gas de alimentación comprimido; poner en contacto dicho gas de alimentación comprimido con un lado del cátodo de una membrana de transporte de iones selectivo de oxígeno, estando dicho gas de alimentación a una primera temperatura que es eficaz para promover el transporte impulsado por presión de oxígeno elemental desde dicho lado del cátodo a un lado del ánodo de dicho transporte de iones selectivo de oxígeno membrana, después de lo cual una porción de gas rico en nitrógeno permanece en dicho lado del cátodo; dividiendo dicha porción en una primera porción empobrecida en oxígeno en un primer caudal y una segunda porción empobrecida en oxígeno en un segundo caudal; recuperar un gas producto rico en nitrógeno a alta presión de dicha primera porción empobrecida en oxígeno; expandir dicha segunda porción empobrecida en oxígeno en una turbina, generando así una combinación de trabajo y un escape de turbina de un gas producto rico en nitrógeno a baja presión, tal que dicha turbina proporciona trabajo suficiente para el compresor; y se recupera gas producto de oxígeno de un permeado en dicho lado del ánodo de dicha membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno.US6139604 describes a process for the production of oxygen and nitrogen from a feed gas containing a mixture of oxygen and nitrogen comprising compressing the feed gas in an air compressor to produce a compressed feed gas; contacting said compressed feed gas with a cathode side of an oxygen selective ion transport membrane, said feed gas being at a first temperature which is effective to promote the pressure driven transport of elemental oxygen from said side of the cathode on one side of the anode of said membrane oxygen-selective ion transport, after which a portion of nitrogen-rich gas remains on said cathode side; dividing said portion into a first oxygen-depleted portion at a first flow rate and a second oxygen-depleted portion at a second flow rate; recovering a high pressure nitrogen rich product gas from said first oxygen depleted portion; expanding said second oxygen-depleted portion in a turbine, thereby generating a combination of work and turbine exhaust of a nitrogen-rich product gas at low pressure, such that said turbine provides sufficient work for the compressor; and oxygen product gas is recovered from a permeate on said anode side of said oxygen selective ion transport membrane.

El documento US2003039608 describe un método para producir hidrógeno en el que el oxígeno se separa de una corriente que contiene oxígeno para producir un permeado de oxígeno que se mezcla con una corriente que contiene hidrocarburos y vapor. El vapor, uno o más hidrocarburos y oxígeno permeado se hacen reaccionar para producir un gas de síntesis. El hidrógeno se separa del gas de síntesis por una membrana de transporte de hidrógeno para producir un permeado de hidrógeno que, después del enfriamiento, se utiliza para formar una corriente de producto de hidrógeno. El gas de síntesis crudo agotado en hidrógeno se quema para calentar la alimentación que contiene oxígeno entrante. El documento US5102432 describe un proceso que utiliza un sistema de membrana de tres o más etapas, sin la incorporación de una unidad de desoxo, para producir de manera un producto de nitrógeno de muy alta pureza. El nitrógeno se produce a partir del aire de en tres etapas de membrana, el aire comprimido pasa a los módulos de membrana que a una presión de aire de alimentación entre 50 a aproximadamente 300 psig, a una temperatura de aproximadamente 90 °F. El gas de oxígeno impregna selectivamente el material de membrana empleado en dichos módulos y se rechaza a la presión relativamente baja, el lado permeado de la membrana. El gas no permeado rico en nitrógeno se recupera, esencialmente a la alta presión del aire de alimentación. El gas permeado de la segunda etapa, que tiene una concentración de oxígeno menor que la del aire, se puede reciclar a la cabeza de la planta para su compresión y reciclaje al sistema de membrana. Del mismo modo, el gas permeado de la tercera etapa, que tiene un contenido de oxígeno inferior al de la primera etapa, el gas no permeado que se alimenta a la segunda etapa, se puede reciclar a la alimentación de dicha segunda etapa.US2003039608 describes a method for producing hydrogen in which oxygen is stripped from an oxygen-containing stream to produce an oxygen permeate that is mixed with a hydrocarbon-containing stream and steam. Steam, one or more hydrocarbons, and permeated oxygen are reacted to produce a synthesis gas. Hydrogen is separated from synthesis gas by a transport membrane of hydrogen to produce a hydrogen permeate which, after cooling, is used to form a hydrogen product stream. The crude hydrogen-depleted synthesis gas is flared to heat the incoming oxygen-containing feed. US5102432 describes a process that uses a three or more stage membrane system, without the incorporation of a deoxo unit, to produce a very high purity nitrogen product in a manner. Nitrogen is produced from the air in three membrane stages, the compressed air passes into the membrane modules which at a feed air pressure between 50 to approximately 300 psig, at a temperature of approximately 90°F. Oxygen gas selectively permeates the membrane material used in such modules and is rejected at the relatively low pressure, the permeate side of the membrane. The nitrogen-rich non-permeate gas is recovered, essentially at the high pressure of the feed air. Second stage permeate gas, which has a lower oxygen concentration than air, can be recycled to the head of the plant for compression and recycling to the membrane system. Similarly, the third stage permeate gas, which has a lower oxygen content than the first stage, the non-permeate gas that is fed to the second stage, can be recycled to the second stage feed.

La presente invención se refiere a un nuevo proceso que permite revalorizar residuos industriales para producir simultánea y separadamente al menos 2 gases seleccionados entre nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y dióxido de carbono en al menos dos corrientes gaseosas con una elevada pureza mediante la combinación de diferentes módulos de membranas cerámicas permeables de oxígeno. Por tanto, la presente invención aporta una solución para mejorar el rendimiento (flujo de permeado) de combustiones incompletas y revalorizar corrientes residuales de una planta y transformarlas en productos de mayor valor añadido.The present invention refers to a new process that allows industrial waste to be revalued to simultaneously and separately produce at least 2 gases selected from nitrogen, oxygen, hydrogen and carbon dioxide in at least two gas streams with high purity by combining different modules. oxygen permeable ceramic membranes. Therefore, the present invention provides a solution to improve the performance (permeate flow) of incomplete combustion and to revalue residual streams from a plant and transform them into products with greater added value.

El proceso permite utilizar materiales residuales de diferentes procesos industriales. Es posible tratar pequeñas cantidades de residuos industriales (que con el paso del tiempo suponen una gran carga residual para una compañía y medioambientalmente) o grandes corrientes que no tengan un tratamiento óptimo ajustando el área de membrana que se requiere en cada módulo de membrana.The process allows the use of residual materials from different industrial processes. It is possible to treat small amounts of industrial waste (which over time represent a large residual load for a company and the environment) or large streams that are not optimally treated by adjusting the membrane area required in each membrane module.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

La presente invención se refiere a un procedimiento que, utilizando módulos de membranas planas cerámicas de permeación de oxígeno permiten la producción simultánea al menos dos gases seleccionados entre nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y dióxido de carbono prácticamente puros en al menos 2 corrientes separadas a partir de una corriente combustible y aire, o a partir de una corriente combustible y una corriente de vapor de agua.The present invention refers to a procedure that, using oxygen permeation ceramic flat membrane modules, allows the simultaneous production of at least two gases selected from substantially pure nitrogen, oxygen, hydrogen and carbon dioxide in at least 2 separate streams from a fuel stream and air, or from a fuel stream and a steam stream.

En esta memoria la expresión "prácticamente puros” significa que su pureza es de al menos el 90% respecto al total de una corriente de salida, preferentemente 95% y más preferentemente 99,99%.In this specification the expression "practically pure" means that its purity is at least 90% with respect to the total of an output stream, preferably 95% and more preferably 99.99%.

En esta memoria la expresión "corriente de entrada, de combustible en fase gaseosa”, "corriente gasificada de combustible” , "corriente gaseosa de entrada”, se usan indistintamente.In this specification the expression "inlet stream of fuel in gas phase", "gasified stream of fuel", "inlet gas stream", are used interchangeably.

Cuando se hace alusión a los módulos de membranas "primer módulo”; "segundo módulo” y ”tercer módulo” en las realizaciones en las que se utilizan al menos tres módulos, el "primer módulo” es el módulo en el que se realizan operaciones correspondientes a las primeras etapas del procedimiento, el segundo módulo es el módulo intermedio y el tercer módulo es el módulo en el que se realizan operaciones correspondientes a las últimas etapas del procedimiento.When referring to the membrane modules "first module"; "second module" and "third module" in embodiments in which at least three modules are used, the "first module" is the module in which operations are performed. corresponding to the first stages of the procedure, the second module is the intermediate module and the third module is the module in which operations corresponding to the last stages of the procedure are performed.

En los casos en los que se utilizan solo dos módulos, se hace referencia a ellos manteniendo le terminología usada para las realizaciones del procedimiento que usan tres módulos, es decir, se habla de "primer y tercer módulos” cuando se prescinde del segundo, o se habla de "segundo y tercer módulos” cuando se prescinde del primero,In the cases in which only two modules are used, reference is made to them maintaining the terminology used for the embodiments of the procedure that use three modules, that is, speaking of "first and third modules" when the second is dispensed with, or one speaks of "second and third modules" when the first is dispensed with,

La presente invención se refiere a un procedimiento para generar y separar gases selectivamente caracterizado porque comprende:The present invention refers to a process for generating and separating gases selectively characterized in that it comprises:

- una primera etapa en la que se hace pasar una corriente de entrada, de combustible en fase gaseosa, que comprende sustancias combustibles cuya oxidación da lugar a productos gaseosos, y una corriente de entrada rica en oxígeno a través de al menos dos módulos de membranas de separación de oxígeno, de modo que las dos corrientes entran en contacto a través de las membranas y tiene lugar un intercambio de calor entre ellas, - una segunda etapa de difusión selectiva de oxígeno de la corriente rica en oxígeno, hacia la corriente de combustible, y tal que las corrientes de salida de los módulos de membrana son, por un lado, una corriente empobrecida en oxígeno o completamente libre de oxígeno y, por otro lado, una corriente parcialmente oxidada o completamente oxidada,- a first stage in which an inlet stream of fuel in the gas phase is passed, comprising combustible substances whose oxidation gives rise to gaseous products, and an inlet stream rich in oxygen through at least two membrane modules of oxygen separation, so that the two streams come into contact through the membranes and a heat exchange takes place between them, - a second stage of selective diffusion of oxygen from the oxygen-rich stream, towards the fuel stream , and such that the output streams of the membrane modules are, on the one hand, an oxygen-depleted or completely oxygen-free stream and, on the other hand, a partially oxidized or fully oxidized stream,

- una tercera etapa de recuperación de al menos dos corrientes separadas de salida, de al menos dos gases seleccionados entre oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono e hidrógeno. - a third stage of recovery of at least two separate outlet streams, of at least two gases selected from among oxygen, nitrogen, carbon dioxide and hydrogen.

La corriente gasificada de combustible contiene sustancias combustibles y su oxidación mediante la reacción con oxígeno produce compuestos gaseosos,The gasified fuel stream contains combustible substances and its oxidation by reaction with oxygen produces gaseous compounds,

Según realizaciones particulares, la corriente de entrada rica en oxígeno está seleccionada entre aire, vapor de agua y combinaciones de las mismas.According to particular embodiments, the oxygen-rich inlet stream is selected from among air, water vapor, and combinations thereof.

Según realizaciones particulares adicionales, en la segunda etapa la oxidación del combustible es completa.According to additional particular embodiments, in the second stage the oxidation of the fuel is complete.

Según realizaciones particulares adicionales, la corriente de entrada rica en oxígeno es aire y las dos corrientes separadas de salida son de nitrógeno y dióxido de carbono.According to further particular embodiments, the oxygen-rich input stream is air and the two separate output streams are nitrogen and carbon dioxide.

Según realizaciones particulares adicionales, la corriente de entrada rica en oxígeno es aire y hay, al menos, tres corrientes separadas de salida: de oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono.According to further particular embodiments, the oxygen-rich input stream is air and there are at least three separate output streams: oxygen, nitrogen, and carbon dioxide.

Según realizaciones particulares adicionales, la corriente de entrada rica en oxígeno es vapor de agua y las dos corrientes separadas de salida son de hidrógeno y dióxido de carbono.According to further particular embodiments, the oxygen-rich input stream is steam and the two separate output streams are hydrogen and carbon dioxide.

Según realizaciones particulares adicionales, la corriente rica en oxígeno es vapor de agua y hay, al menos, tres corrientes separadas de salida: son de oxígeno, hidrógeno y dióxido de carbono.According to additional particular embodiments, the oxygen-rich stream is water vapor and there are at least three separate outlet streams: they are oxygen, hydrogen, and carbon dioxide.

Las membranas cerámicas de permeación de oxígeno necesitan temperaturas elevadas para conseguir transportes eficaces de oxígeno (>600, o incluso >650°C), así que las corrientes de entrada a los módulos (una rica en oxígeno y otra con bajos contenidos o presiones parciales de oxígeno) deben pre-acondicionarse para entrar a los módulos a temperaturas mayores a 600°C. Para ello las corrientes de entrada pueden ser previamente calentadas mediante dispositivos de intercambio de calor utilizando las corrientes de salida calientes a fin de mejorar la eficiencia energética.Ceramic oxygen permeation membranes need high temperatures to achieve efficient oxygen transport (>600, or even >650°C), so the inlet streams to the modules (one rich in oxygen and the other with low contents or partial pressures of oxygen) must be pre-conditioned to enter the modules at temperatures higher than 600°C. For this, the inlet streams can be pre-heated by means of heat exchange devices using the hot outlet streams in order to improve energy efficiency.

En el procedimiento de la invención el intercambio de gases entre las dos corrientes de entrada a los módulos de membrana se realiza a una temperatura entre 600 °C y 1500 °C. Preferentemente, el intercambio de gases entre las dos corrientes de entrada a los módulos de membrana se realiza de manera que la temperatura de los gases no excede 1500 °C.In the process of the invention, the exchange of gases between the two input currents to the membrane modules is carried out at a temperature between 600 °C and 1500 °C. Preferably, the exchange of gases between the two input streams to the membrane modules is carried out in such a way that the temperature of the gases does not exceed 1500 °C.

El oxígeno se difunde preferentemente a temperaturas comprendidas entre 600-750°C. Oxygen diffuses preferentially at temperatures between 600-750°C.

Las corrientes de entrada entran llegan a los módulos de membranas a una temperatura superior de 600°C o superior.Inlet streams enter the membrane modules at a higher temperature of 600°C or higher.

La temperatura promedio de operación de los módulos de membranas está, según realizaciones particulares, entre 750 y 1250 °C.The average operating temperature of the membrane modules is, according to particular embodiments, between 750 and 1250 °C.

El procedimiento puede comprender, además, para mejorar el transporte de oxígeno a través de las membranas, una etapa de presurización en un primer dispositivo compresor de gases, de las corrientes de entrada a presiones absolutas comprendidas entre 2 y 15 bar obteniendo corrientes de entrada presurizadas.In order to improve the transport of oxygen through the membranes, the procedure can also include a pressurization stage in a first gas compressor device, of the inlet streams at absolute pressures between 2 and 15 bar, obtaining pressurized inlet streams. .

La presurización de la corriente gaseosa combustible por el primer compresor de gases debe ser suficiente para vencer las pérdidas de carga debidas a las líneas de conducción del gas, los sistemas intercambiadores de calor y los módulos de membrana.The pressurization of the combustible gas current by the first gas compressor must be sufficient to overcome the pressure losses due to the gas conduction lines, the heat exchanger systems and the membrane modules.

Las corrientes de entrada presurizadas pueden ser sometidas a una etapa de precalentamiento con calor desprendido por las corrientes de salida, obteniendo corrientes de entrada presurizadas precalentadas.The pressurized inlet streams can be subjected to a preheating stage with heat given off by the outlet streams, obtaining preheated pressurized inlet streams.

Los flujos de la corriente gaseosa combustible y de la corriente rica en oxígeno se pueden disponer en contracorriente.The flows of the combustible gas stream and the oxygen-rich stream can be arranged in countercurrent.

La corriente de salida empobrecida en oxígeno se puede introducir en una turbina para su revalorización energética. Para optimizar la presurización (y despresurización) de la línea rica en oxígeno la turbina puede estar conectada al mismo eje que el primer dispositivo compresor de gases.The oxygen-depleted outlet stream can be fed into a turbine for energy recovery. To optimize the pressurization (and depressurization) of the oxygen-rich line, the turbine can be connected to the same axis as the first gas compressor device.

Según realizaciones particulares ilustradas en el ejemplo 1, el procedimiento se lleva a cabo en al menos tres módulos seleccionados entre:According to particular embodiments illustrated in example 1, the procedure is carried out in at least three modules selected from among:

- un primer módulo de membranas en el que se oxida parcialmente la corriente gasificada de combustible,- a first membrane module in which the gasified fuel stream is partially oxidized,

- un segundo módulo de membranas en el que se oxida completamente la corriente gasificada de combustible,- a second membrane module in which the gasified fuel stream is completely oxidized,

- un tercer módulo de membrana en el que se realiza la extracción de oxígeno. - a third membrane module in which oxygen extraction is carried out.

En estas realizaciones, en el segundo módulo de membranas se pueden utilizar flujos cruzados, flujos en co-corriente o flujos en contracorriente.In these embodiments, cross-flow, co-current flow, or counter-current flow can be used in the second membrane module.

Con los flujos en contracorriente el intercambio de calor es mejor y se puede alcanzar un mejor control de la temperatura y evitar puntos muy calientes en puntos determinados de los módulos de membranas, que pueden producir riesgos de fallo mecánico del módulo.With countercurrent flows, heat exchange is better and better temperature control can be achieved and very hot spots can be avoided at certain points of the membrane modules, which can cause risks of mechanical failure of the module.

En estas realizaciones se produce CO2 y agua líquida de la corriente gaseosa combustible oxidada que sale del segundo módulo, siendo el agua condensada mediante un condensador-separador dispuesto a la salida del segundo módulo, del cual salen dos corrientes de salida: una corriente gaseosa combustible oxidada -compuesta mayoritariamente por CO2- y una corriente de agua líquida.In these embodiments, CO2 and liquid water are produced from the oxidized combustible gas stream that exits the second module, the water being condensed by means of a condenser-separator arranged at the outlet of the second module, from which two output streams exit: a combustible gas stream oxidized -composed mainly of CO2- and a current of liquid water.

Según realizaciones particulares adicionales, se obtienen dióxido de carbono y nitrógeno, y se lleva a cabo una recirculación de parte del dióxido de carbono o el nitrógeno obtenidos en el procedimiento, de modo que se produce una dilución de la corriente gaseosa combustible y se absorben los calores de oxidaciónAccording to additional particular embodiments, carbon dioxide and nitrogen are obtained, and a recirculation of part of the carbon dioxide or nitrogen obtained in the process is carried out, so that a dilution of the combustible gas stream is produced and the gases are absorbed. oxidation heats

Según realizaciones particulares adicionales, ilustradas por el ejemplo 2, se utilizan tres módulos de membranas, y tal queAccording to additional particular embodiments, illustrated by example 2, three membrane modules are used, and such that

- toda la corriente de entrada rica en oxígeno que procede del segundo intercambiador de calor se introduce en el segundo módulo de membrana,- all the oxygen-rich inlet stream coming from the second heat exchanger is fed into the second membrane module,

- la corriente empobrecida en oxígeno de salida del segundo módulo de membrana se dosifica mediante un sistema de válvulas que circulan esta corriente parcialmente:- the oxygen-depleted stream exiting the second membrane module is metered by means of a valve system that partially circulates this stream:

- al primer módulo de membrana como corriente que suministra oxígeno como una corriente empobrecida en oxígeno que contiene una cantidad de oxígeno menor la cantidad estequiométrica para oxidar completamente la corriente gasificada de combustible, y - al tercer módulo de membrana como corriente que suministra oxígeno al tercer módulo y a la turbina.- to the first membrane module as a stream supplying oxygen as an oxygen-depleted stream containing an amount of oxygen less than the stoichiometric amount to fully oxidize the gasified fuel stream, and - to the third membrane module as a stream supplying oxygen to the third module and the turbine.

Según realizaciones particulares adicionales, ilustradas por el ejemplo 3, se utilizan el segundo y tercer módulos de membrana,According to additional particular embodiments, illustrated by example 3, the second and third membrane modules are used,

- toda la corriente de entrada gasificada, de combustible, presurizada calentada, que procede del primer intercambiador de calor se introduce en el segundo módulo de membrana, y- all the gasified, fuel, pressurized heated input stream coming from the first heat exchanger is introduced into the second membrane module, and

- toda la corriente de entrada rica en oxígeno que procede del segundo intercambiador de calor se introduce en el segundo módulo de membrana, - all the oxygen-rich inlet stream coming from the second heat exchanger is fed into the second membrane module,

Según realizaciones particulares adicionales, ilustradas por el ejemplo 4, se utilizan únicamente el primer y segundo módulos de membrana,According to additional particular embodiments, illustrated by example 4, only the first and second membrane modules are used,

- la corriente de salida empobrecida en oxígeno, del segundo módulo de membrana es recirculada a la turbina como corriente de entrada de la turbina.- the oxygen-depleted outlet stream from the second membrane module is recirculated to the turbine as turbine inlet stream.

Se obtiene una corriente de salida de CO2 y una corriente empobrecida en oxígeno de salida de los módulos donde se produce una oxidación parcial y, ambas corrientes de salida son presurizadas después de ser enfriadas.A CO2 outlet stream and an oxygen-depleted stream are obtained from the modules where partial oxidation occurs and both outlet streams are pressurized after being cooled.

Según realizaciones particulares adicionales, ilustradas por el ejemplo 5, se utiliza el primer y el tercer módulo de membrana,According to additional particular embodiments, illustrated by example 5, the first and third membrane modules are used,

- la corriente gaseosa de combustible parcialmente oxidado que sale del primer módulo de membrana y la corriente de salida empobrecida en oxígeno, del tercer módulo de membrana se introducen en un combustor para terminar de oxidar el material combustible de la corriente gaseosa parcialmente oxidado, y- the partially oxidized fuel gas stream leaving the first membrane module and the oxygen-depleted output stream from the third membrane module are introduced into a combustor to finish oxidizing the partially oxidized fuel material of the gas stream, and

- la corriente de salida del combustor se introduce en la turbina.- the output current of the combustor is introduced into the turbine.

Según realizaciones particulares adicionales, ilustradas por el ejemplo 6, se utilizan módulos de membrana adicionales, además del primero, segundo y tercer módulos de membrana, en los módulos adicionales se purifican las corrientes de los gases producidos en el primer módulo de membrana y el segundo módulo de membrana eliminando de ellos el oxígeno, yAccording to additional particular embodiments, illustrated by example 6, additional membrane modules are used, in addition to the first, second and third membrane modules, in the additional modules the streams of gases produced in the first and second membrane modules are purified. membrane module removing oxygen from them, and

- la corriente gaseosa combustible entra en los módulos adicionales como corriente de arrastre.- the combustible gas stream enters the additional modules as an entrainment stream.

En este caso, los módulos de membrana pueden presentar una distribución de flujos a contracorriente para asegurar el intercambio completo de oxígeno desde las corrientes a purificar hasta las corrientes combustibles.In this case, the membrane modules can have a countercurrent flow distribution to ensure complete oxygen exchange from the streams to be purified to the fuel streams.

Las corrientes de los gases de salida se pueden purificar mediante membranas poliméricas de permeación de oxígeno, después de ser enfriadas hasta temperatura ambiente y presurizadas.The off-gas streams can be purified by oxygen-permeating polymeric membranes, after being cooled to room temperature and pressurized.

En el procedimiento de la invención, la fuente de la corriente gasificada combustible puede ser biomasa, la cual es gasificada mediante un reactor termoquímico, siendo las corrientes de entrada al reactor termoquímico:In the process of the invention, the source of the combustible gasified current can be biomass, which is gasified by means of a thermochemical reactor, the input currents to the thermochemical reactor being:

- la biomasa - biomass

- una corriente de arrastre compuesta por un gas inerte y, opcionalmente, vapor de agua,- a drag stream made up of an inert gas and, optionally, steam,

- y, opcionalmente, una corriente de entrada rica en oxígeno.- and, optionally, an inlet stream rich in oxygen.

Una realización particular del procedimiento en el que la corriente de entrada en fase gaseosa comprende biomasa se muestra en el ejemplo 7.A particular embodiment of the process in which the gas phase input stream comprises biomass is shown in example 7.

El procedimiento de la invención permite obtener dos o más corrientes gaseosas de salida con una pureza superior a 95%, en base seca, de uno de los siguientes gases elegidos entre N2, O2, H2 y CO2.The process of the invention makes it possible to obtain two or more output gas streams with a purity greater than 95%, on a dry basis, of one of the following gases chosen from N2, O2, H2 and CO2.

El procedimiento de la invención permite obtener, según realizaciones particulares, como corrientes distintas de salida, al menos N2 y CO2 con purezas superiores a 95%.The process of the invention makes it possible to obtain, according to particular embodiments, as different output currents, at least N2 and CO2 with purities greater than 95%.

El procedimiento de la invención permite obtener, según realizaciones particulares, como corrientes distintas de salida, al menos N2 y O2 con purezas superiores a 95%.The process of the invention makes it possible to obtain, according to particular embodiments, as different output currents, at least N2 and O2 with purities greater than 95%.

El procedimiento de la invención permite obtener, según realizaciones particulares, como corrientes distintas de salida, al menos N2, CO2 y O2 con purezas superiores a 95%.The process of the invention makes it possible to obtain, according to particular embodiments, as different output currents, at least N2, CO2 and O2 with purities greater than 95%.

El procedimiento de la invención permite obtener, según realizaciones particulares, al menos, una corriente presurizada con presión absoluta superior a 4 bar, de salida compuesta por N2, CO2 u O2 con purezas superiores a 95%.The process of the invention makes it possible to obtain, according to particular embodiments, at least one pressurized stream with an absolute pressure greater than 4 bar, with an output made up of N2, CO2 or O2 with purities greater than 95%.

La corriente de entrada, que contiene materias combustibles, puede comprender uno o más productos seleccionados entre CO, H2, H2S, metano, gas licuado de petróleo (GLPs), alcoholes, olefinas, peróxidos, compuestos aromáticos, ácidos orgánicos, aminas orgánicas, naftas, asfaltos, bitúmenes, gasóleo, aceites o grasas vegetales, animales o minerales, carbones, y mezclas de ellos.The input stream, which contains combustible materials, can comprise one or more products selected from among CO, H2, H2S, methane, liquefied petroleum gas (LPG), alcohols, olefins, peroxides, aromatic compounds, organic acids, organic amines, naphthas , asphalt, bitumen, gas oil, vegetable, animal or mineral oils or fats, coals, and mixtures thereof.

La composición del combustible, así como su mecanismo de reacción deben ser considerados para el diseño de los módulos primero y segundo de membrana que reciben las corrientes de entrada con el fin de optimizar la transmisión de calor y evitar zonas dentro de cada módulo con temperaturas excesivas. La Figura 12 muestra la temperatura adiabática de llama para diferentes materiales.The composition of the fuel, as well as its reaction mechanism, must be considered for the design of the first and second membrane modules that receive the input currents in order to optimize heat transfer and avoid areas within each module with excessive temperatures. . Figure 12 shows the adiabatic flame temperature for different materials.

Según realizaciones particulares del procedimiento se obtiene hidrógeno. Para la obtención de hidrógeno, la corriente rica en oxígeno (C2) es una corriente de vapor de agua o una corriente de aire mezclado con vapor de agua. En este caso la impulsión de la corriente rica en oxígeno se realiza con una bomba hidráulica. Posteriormente ser requiere un evaporador para gasificar la corriente rica en oxígeno y un intercambiador de calor para elevar su temperatura hasta la temperatura de entrada el primer módulo (que podemos llamar punto de operación) En este caso, el oxígeno intercambiado a través de los módulos de membranas proviene del oxígeno de la molécula de agua, produciendo hidrógeno en la parte del módulo que contiene el gas (o cámara de vapor) Si la corriente combustible comprende hidrocarburos, el proceso global está basado en las respectivas reacciones de reformado con vapor de dichos hidrocarburos. Estas reacciones son altamente endotérmicas y, en consecuencia, se produciría una disminución de la temperatura conforme este proceso avanza que, a su vez, desactivaría los fenómenos de transporte de oxígeno a través de la membrana. De esta manera, utilizar este proceso para la producción de hidrógeno requiere fuentes de calor en los módulos de membrana para evitar que la disminución de la temperatura límite el proceso. Si la corriente combustible está basada en CO, la reacción global es water gas shift. Esta reacción es exotérmica, con lo que se tiene que tener en cuenta está energía controlar que la temperatura dentro de los equipos no se dispare.According to particular embodiments of the process, hydrogen is obtained. To obtain hydrogen, the stream rich in oxygen (C2) is a stream of water vapor or a stream of air mixed with water vapor. In this case, the oxygen-rich stream is pumped with a hydraulic pump. Subsequently, an evaporator is required to gasify the oxygen-rich stream and a heat exchanger to raise its temperature to the inlet temperature of the first module (which we can call the operating point). In this case, the oxygen exchanged through the membrane modules comes from the oxygen of the water molecule, producing hydrogen in the part of the module that contains the gas (or steam chamber) If the fuel stream comprises hydrocarbons, the overall process is based on the respective steam reforming reactions of said hydrocarbons. These reactions are highly endothermic and, consequently, a decrease in temperature would occur as this process progresses, which, in turn, would deactivate the phenomena of oxygen transport through the membrane. In this way, using this process for the production of hydrogen requires heat sources in the membrane modules to prevent the decrease in temperature from limiting the process. If the fuel stream is CO based, the overall reaction is water gas shift. This reaction is exothermic, so this energy must be taken into account to ensure that the temperature inside the equipment does not skyrocket.

En el procedimiento de la invención las membranas de intercambio iónico de oxígeno se han integrado en un proceso de oxidación de una corriente combustible y de una corriente gaseosa con oxígeno (típicamente aire) para la obtención de simultánea de N2, O2, H2 y CO2. Este proceso aprovecha los calores generados en el proceso de oxidación para el calentamiento de las diferentes corrientes de entrada y el mantenimiento de la temperatura de las diferentes unidades que componen el sistema. La obtención de nitrógeno prácticamente puro se produce a partir de un ensamblaje donde las corrientes de combustible y aire este en contracorriente y el aire que se introduce a este ensamblaje sea menor a la cantidad estequiométrica para oxidar todo el material oxidable de la corriente combustible. La producción de CO2 se produce a partir de un ensamblaje donde la cantidad de oxígeno intercambiado sea mayor que la cantidad estequiométrica del combustible de entrada y tras una separación del agua que se pueda haber formado en las distintas reacciones de oxidación. La producción de oxígeno se produce utilizando el aire usado después de haber producido el CO2 y el N2 en un ensamblaje donde el oxígeno es extraído mediante un sistema de vacío. Los diferentes ensamblajes de membranas de intercambio iónico de oxígeno deben actuar como intercambiadores de oxígeno y de calor y deben estar adecuadamente diseñados para que el proceso sea eficiente. El aire usado final puede ser revalorizado en una turbina.In the process of the invention, the oxygen ion exchange membranes have been integrated into an oxidation process of a fuel stream and a gas stream with oxygen (typically air) to simultaneously obtain N2, O2, H2 and CO2. This process takes advantage of the heat generated in the oxidation process to heat the different input currents and maintain the temperature of the different units that make up the system. Obtaining practically pure nitrogen is produced from an assembly where the fuel and air currents are in countercurrent and the air that is introduced to this assembly is less than the stoichiometric quantity to oxidize all the oxidizable material in the fuel current. CO2 production occurs from an assembly where the amount of oxygen exchanged is greater than the stoichiometric amount of the input fuel and after a separation of the water that may have formed in the different oxidation reactions. The production of oxygen occurs using the air used after having produced the CO2 and N2 in an assembly where the oxygen is extracted through a vacuum system. The different oxygen ion exchange membrane assemblies must act as oxygen and heat exchangers and must be properly designed for the process to be efficient. The final used air can be revalued in a turbine.

El procedimiento de la invención presenta varias ventajas respecto al estado de la técnica, tales como el hecho de que consigue que tengan lugar simultáneamente tres acciones: - el intercambio de calor que tiene lugar en los módulos de membranas The procedure of the invention presents several advantages with respect to the state of the art, such as the fact that it achieves three actions to take place simultaneously: - the heat exchange that takes place in the membrane modules

- la transferencia de materia que se produce y- the transfer of matter that is produced and

- la reacción del oxígeno con el combustible.- the reaction of oxygen with fuel.

La presente invención se refiere también a una instalación para llevar a cabo el procedimiento definido.The present invention also relates to an installation for carrying out the defined process.

Cuando se hace alusión a la instalación, las expresiones "línea de corriente”; o los términos "conducto” o "corriente” se utilizan de manera indistinta.When referring to the installation, the expressions "current line"; or the terms "duct" or "current" are used interchangeably.

La instalación para llevar a cabo el procedimiento definido comprende al menos:The installation to carry out the defined procedure comprises at least:

- dos módulos de membranas de separación de oxígeno- two oxygen separation membrane modules

- compresores de gases que impulsan las corrientes de entrada a los módulos de membrana- gas compressors that drive the input currents to the membrane modules

- dispositivos intercambiadores de calor entre corrientes gaseosas entrantes o salientes en módulos de membrana,- heat exchanger devices between incoming or outgoing gas streams in membrane modules,

- una turbina dispuesta para recibir al menos gas de uno de los módulos de membrana y producir trabajo- a turbine arranged to receive at least gas from one of the membrane modules and produce work

- al menos dos líneas de corrientes de gases de salida individuales separados procedentes de los módulos de membranas de separación de oxígeno- at least two separate individual flue gas stream lines from the oxygen separation membrane modules

y en la que cada módulo de membrana de separación de oxígeno comprende un conjunto de membranas planas paralelas.and wherein each oxygen separation membrane module comprises an array of planar parallel membranes.

Éstas características mencionadas en el párrafo anterior son comunes en la instalación para todas las realizaciones.These characteristics mentioned in the previous paragraph are common in the installation for all implementations.

Los compresores permiten la compresión de gases de procesos a presiones absolutas en el rango entre 0,5 y 15 bar.Compressors allow the compression of process gases at absolute pressures in the range between 0.5 and 15 bar.

La turbina o conjunto de ellas tienen como objetivo la producción de energía eléctrica y/o mecánica a partir de la descompresión de corrientes compuestas por gases calientes procedentes de otras unidades del proceso.The purpose of the turbine or set of turbines is to produce electrical and/or mechanical energy from the decompression of streams made up of hot gases from other process units.

La instalación puede incluir adicionalmente, al menos, un módulo de membrana basado en conductores iónicos y electrónicos cerámicos, y compuesto por canales paralelos y planos que facilitan el contacto entre corrientes gaseosas aisladas por la membrana y que tiene como única entrada una corriente rica en oxígeno, y como salidas (i) una corriente de rechazo, empobrecida en oxígeno respecto a la corriente de entrada, y (ii) una corriente rica en oxígeno con pureza superior a 95% y que se encuentra a vacío -entre 1 y 750 mbar-The installation can additionally include at least one membrane module based on ceramic ionic and electronic conductors, and made up of parallel and flat channels that facilitate contact between gaseous currents isolated by the membrane and that has as the only input, a current rich in oxygen, and as outputs (i) a rejection current, depleted in oxygen with respect to the input current, and (ii) a current rich in oxygen with a purity greater than 95% and which is located at vacuum -between 1 and 750 mbar-

Los módulos de membrana de la instalación pueden comprender membranas de separación basadas en conductores iónicos y electrónicos cerámicos, y soportes cerámicos porosos.The membrane modules of the facility may comprise separation membranes based on ceramic ionic and electronic conductors, and porous ceramic supports.

Además, los módulos de membrana pueden comprender un catalizador para la oxidación efectiva de los componentes combustibles con el oxígeno difundiendo a través de la membrana.Furthermore, the membrane modules may comprise a catalyst for the effective oxidation of the fuel components with oxygen diffusing through the membrane.

El flujo de las dos corrientes, que facilita el intercambio de materia y calor, en los módulos de membrana se puede realizar a contracorriente y se proporciona suficiente longitud para un intercambio efectivo.The flow of the two currents, which facilitates the exchange of matter and heat, in the membrane modules can be carried out in countercurrent and sufficient length is provided for an effective exchange.

La instalación puede incluir adicionalmente, al menos, un módulo de separación basado en membranas poliméricas o inorgánicas porosas selectivas a la difusión de nitrógeno y que permite obtener a temperaturas inferiores a 400°C una corriente enriquecida en nitrógeno a partir de una alimentación de aire presurizado.The facility may additionally include at least one separation module based on porous polymeric or inorganic membranes selective for nitrogen diffusion and which allows a nitrogen-enriched stream to be obtained at temperatures below 400°C from a pressurized air supply. .

La instalación puede comprender adicionalmente una unidad de separación de agua y gas. The installation may additionally comprise a water and gas separation unit.

En la instalación de la invención, al menos, un compresor y una turbina pueden estar acoplados axialmente para utilizar la energía mecánica de la expansión en la compresión de una corriente gaseosa. El acoplamiento se puede realizar mediante turbinascompresores axiales o sistemas del tipo turbocompresor.In the installation of the invention, at least one compressor and one turbine can be axially coupled to use the mechanical energy of the expansion in the compression of a gas stream. The coupling can be carried out by means of axial turbine-compressors or turbocharger-type systems.

Según realizaciones particulares ilustradas en la figura 1, la instalación comprende al menos:According to particular embodiments illustrated in figure 1, the installation comprises at least:

- un primer módulo de membranas de separación de oxígeno, que tiene dos entradas para - una primera corriente gasificada de combustible y- a first oxygen separation membrane module, which has two inlets for - a first gasified stream of fuel and

- una corriente de entrada rica en oxígeno.- an inlet stream rich in oxygen.

- un primer compresor de gases que permite presurizar la corriente gaseosa combustible, y que sale del compresor como una corriente gaseosa combustible presurizada, hacia - un primer dispositivo intercambiador de calor que permite calentar la corriente gaseosa combustible presurizada y que sale del intercambiador como una corriente gaseosa combustible presurizada precalentada - a first gas compressor that makes it possible to pressurize the combustible gas stream, and which leaves the compressor as a pressurized combustible gas stream, towards - a first heat exchanger device that allows the pressurized combustible gas stream to be heated and which leaves the exchanger as a stream preheated pressurized fuel gas

- un segundo compresor de gases que permite presurizar la corriente de entrada rica en oxígeno, y que sale del compresor como una corriente de entrada rica en oxígeno presurizada- a second gas compressor that makes it possible to pressurize the oxygen-rich inlet stream, and which leaves the compressor as a pressurized oxygen-rich inlet stream

- un dispositivo intercambiador de calor de gases a contracorriente que permite calentar:- a countercurrent gas heat exchanger device that allows heating:

- la corriente de entrada rica en oxígeno presurizada hasta la temperatura de entrada al primer módulo de membrana, y que sale del intercambiador de calor como una corriente de entrada rica en oxígeno presurizada calentada,- the oxygen-rich inlet stream pressurized to the inlet temperature to the first membrane module, and exiting the heat exchanger as a heated pressurized oxygen-rich inlet stream,

- y una corriente empobrecida en oxígeno que proviene de una turbina- and an oxygen-depleted stream coming from a turbine

- al menos dos líneas de corrientes de salida de gases individuales separados procedentes de un segundo y un tercer módulos de membranas de separación de oxígeno- at least two separate individual gas outlet stream lines from second and third oxygen separation membrane modules

y en la que cada módulo de membrana de separación de oxígeno comprende un conjunto de membranas planas paralelas.and wherein each oxygen separation membrane module comprises an array of planar parallel membranes.

Según realizaciones particulares adicionales ilustradas en la figura 2, la instalación comprende tres módulos de membranas y en la que la corriente de salida del segundo módulo de membranas es separada en tres líneas de corriente, las cuales comprenden cada una de ellas una válvula dosificadora, y de las cuales dos de las líneas de corriente conducen al primer o a la turbina permitiendo la recirculación de gases, y la tercera línea de corriente conduce al tercer módulo de membranas, permitiendo el avance del proceso. According to additional particular embodiments illustrated in figure 2, the installation comprises three membrane modules and in which the outlet stream from the second membrane module is separated into three stream lines, each of which comprises a dosing valve, and of which two of the current lines lead to the first or to the turbine allowing the recirculation of gases, and the third current line leads to the third membrane module, allowing the progress of the process.

Según realizaciones particulares adicionales ilustradas en las figuras 3, 4, 5 la instalación comprende dos módulos de membranas.According to additional particular embodiments illustrated in figures 3, 4, 5, the installation comprises two membrane modules.

Según realizaciones particulares adicionales ilustradas en las figuras 6 y 7, la instalación comprende más de tres módulos de membranas.According to additional particular embodiments illustrated in figures 6 and 7, the installation comprises more than three membrane modules.

A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra "comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Throughout the description and claims, the word "comprises" and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and characteristics of the invention will emerge in part of the description and in part of the practice of the invention The following examples are provided by way of illustration, and are not intended to be limiting, of the present invention.

Figura 1. Diagrama del proceso de revalorización de corrientes industriales a partir de módulos de membranas cerámicas de permeación de oxígeno para la producción simultánea de CO2, N2 y O2. Figure 1. Diagram of the revaluation process of industrial currents from oxygen permeation ceramic membrane modules for the simultaneous production of CO2, N2 and O2.

Figura 2. Diagrama del proceso de revalorización de corrientes industriales a partir de módulos de membranas cerámicas de permeación de oxígeno para la producción simultánea de CO2, N2 y O2 configuración alternativa de la corriente de C2. Figure 2. Diagram of the revaluation process of industrial currents from oxygen permeation ceramic membrane modules for the simultaneous production of CO2, N2 and O2 alternative configuration of the C2 current.

Figura 3. Diagrama del proceso de revalorización de corrientes industriales a partir de módulos de membranas cerámicas de permeación de oxígeno para la producción simultánea de CO2 y O2. Figure 3. Diagram of the revaluation process of industrial currents from oxygen permeation ceramic membrane modules for the simultaneous production of CO2 and O2.

Figura 4. Diagrama del proceso de revalorización de corrientes industriales a partir de módulos de membranas cerámicas de permeación de oxígeno para la producción simultánea de CO2 y N2. Figure 4. Diagram of the revaluation process of industrial currents from oxygen permeation ceramic membrane modules for the simultaneous production of CO2 and N2.

Figura 5. Diagrama del proceso de revalorización de corrientes industriales a partir de módulos de membranas cerámicas de permeación de oxígeno para la producción simultánea de N2 y O2. Figure 5. Diagram of the revaluation process of industrial currents from oxygen permeation ceramic membrane modules for the simultaneous production of N2 and O2.

Figura 6. Diagrama del proceso de revalorización de corrientes industriales a partir de módulos de membranas cerámicas de permeación purificando las corrientes de N2 y CO2 mediante módulos de membranas cerámicas. Figure 6. Diagram of the revaluation process of industrial currents from permeation ceramic membrane modules, purifying the N2 and CO2 currents through ceramic membrane modules.

Figura 7. Diagrama del proceso de corrientes industriales a partir de módulos de membranas cerámicas de permeación de oxígeno integrado en un proceso de gasificación (o pirólisis) de biomasa. Figure 7. Diagram of the process of industrial flows from ceramic oxygen permeation membrane modules integrated into a biomass gasification (or pyrolysis) process.

Figura 8. Planos de módulo de membrana de permeación de oxígeno con las corrientes de gases distribuidas en flujo cruzado. Módulo con 20 membranas. a: vista general del módulo; b: vista en planta del módulo; c: vista del plano de sección B-B; d: vista del plano de sección C-C; e: zoom del plano de sección B-B; f: zoom del plano de sección C-C. Figure 8. Plans of the oxygen permeation membrane module with the gas currents distributed in cross flow. Module with 20 membranes. a: general view of the module; b: plan view of the module; c: plan view of section BB; d: plan view of section CC; e: zoom of the section plane BB; f: zoom of the section plane CC.

La referencia (70) muestra los espaciadores entre membranas y la referencia (72) muestra la tapa exterior del módulo.Reference (70) shows the spacers between membranes and reference (72) shows the outer cover of the module.

Figure 9. Planos de módulo de membrana de permeación de oxígeno con las corrientes de gases distribuidas en co-corriente o en contracorriente. Módulo con 20 membranas. A: vista general del módulo; b: vista en planta del módulo; c: vista del plano de sección A-A para una distribución de flujos en co-corriente; d: vista del plano de sección B-B para una distribución de flujos en co-corriente; e: zoom del plano de sección A-A; f: zoom del plano de sección B-B; g: vista del plano de sección A-A para una distribución de flujos en contracorriente; h: vista del plano de sección B-B para una distribución de flujos en contracorriente. Figure 9. Plans of the oxygen permeation membrane module with the gas currents distributed in co-current or counter-current. Module with 20 membranes. A: general view of the module; b: plan view of the module; c: view of the section plane AA for a distribution of flows in co-current; d: view of the section plane BB for a distribution of flows in co-current; e: zoom of the section plane AA; f: zoom of the section plane BB; g: view of the section plane AA for a distribution of flows in countercurrent; h: view of the section plane BB for a distribution of countercurrent flows.

Figura 10. Planos de módulo de membrana de permeación de oxígeno con tres pasos con 6 membranas por paso. A: vista general del módulo; b: vista en planta del módulo; c: vista del plano de sección B-B para una distribución de flujos en co-corriente; d: vista del plano de sección C-C para una distribución de flujos en co-corriente; e: zoom del plano de sección A-A; f: zoom del plano de sección B-B; g: vista del plano de sección B-B para una distribución de flujos en contracorriente; h: vista del plano de sección C-C para una distribución de flujos en contracorriente. Figure 10. Plans of the oxygen permeation membrane module with three passes with 6 membranes per pass. A: general view of the module; b: plan view of the module; c: view of the section plane BB for a distribution of flows in co-current; d: view of the section plane CC for a co-current distribution of flows; e: zoom of the section plane AA; f: zoom of the section plane BB; g: view of the section plane BB for a countercurrent flow distribution; h: view of the section plane CC for a countercurrent flow distribution.

Figura 11. muestra los resultados del ejemplo 1 donde se ha estudiado un caso práctico del primer módulo de membrana (6) con una mezcla de CO-CO2 como corriente gaseosa combustible y aire como corriente rica en oxígeno. Perfiles de temperatura (T) y fracción molar de oxígeno (xO2) a lo lardo de la cámara de aire (L: coordenada longitudinal del módulo de membrana) para el módulo de membrana de permeación de oxígeno con déficit de oxígeno en la corriente de aire (7) para diferentes diluciones de la corriente (7) con CO2 (r = — CO2 Figure 11 shows the results of example 1 where a practical case of the first membrane module (6) has been studied with a mixture of CO-CO2 as a fuel gas stream and air as a stream rich in oxygen. Profiles of temperature (T) and mole fraction of oxygen (xO 2 ) along the air chamber (L: longitudinal coordinate of the membrane module) for the oxygen permeation membrane module with oxygen deficit in the flow stream. air (7) for different dilutions of stream (7) with CO2 (r = — CO2

C1 -). Resultados para un módulo de membrana de un área total de membrana de 380 cm2 y una alimentación de CO y CO2 (57,1% de CO) para la corriente (5) con las corrientes de entrada a 700°C. a: explicación del proceso; b: configuración de flujos en co-corriente; c: configuración de flujos en contracorriente; d: resultados para una entrada de aire al 25% de la cantidad estequiométrica; e: resultados para una entrada de aire al 50% de la cantidad estequiométrica; f: resultados para una entrada de aire al 75% de la cantidad estequiométrica.C1-). Results for a membrane module of a total membrane area of 380 cm 2 and a CO and CO 2 feed (57.1% CO) for stream (5) with inlet streams at 700°C. a: explanation of the process; b: configuration of co-current flows; c: configuration of countercurrent flows; d: results for an air intake at 25% of the stoichiometric amount; e: results for an air intake at 50% of the stoichiometric amount; f: results for an air intake at 75% of the stoichiometric quantity.

La Figura 11.a muestra una vista del primer módulo de membrana. La Figura 11.b y 11.c muestran una vista simplificada del paso de las corrientes de gases por las cámaras de combustible (69) y de aire (71) para una distribución de flujos en co-corriente (líneas sólidas en las Figuras 11.c, 11.d y 11.e) y contracorriente (líneas discontinuas en las Figuras 11.c, 11.d y 11.e) respectivamente.Figure 11.a shows a view of the first membrane module. Figures 11.b and 11.c show a simplified view of the passage of gas streams through the fuel (69) and air (71) chambers for a co-current flow distribution (solid lines in Figures 11. c, 11.d and 11.e) and countercurrent (dashed lines in Figures 11.c, 11.d and 11.e) respectively.

Figura 12. Temperatura adiabática de llama (T) para varios combustibles con aire. Son importantes para entender el mecanismo del procedimiento y los resultados. F1: hidrógeno, F2: metano, F3: gas natural, F4: acetileno, F5: etano, F6: butano, F7: gasolina, F8: benceno, F9: keroseno, F10: gasóleo ligero, F11: gasóleo medio, F12: gasóleo pesado, F13: naftaleno, F14: pentadecaeno, F15: eicosano, F16: carbón bituminoso, F17: antracita. (https://www.engineeringtoolbox.com/adiabatic-flame-temperature-d_996.html). Figure 12. Adiabatic flame temperature (T) for various fuels with air. They are important for understanding the mechanism of the procedure and the results. F1: hydrogen, F2: methane, F3: natural gas, F4: acetylene, F5: ethane, F6: butane, F7: gasoline, F8: benzene, F9: kerosene, F10: light diesel, F11: medium diesel, F12: diesel heavy, F13: naphthalene, F14: pentadecaene, F15: eicosane, F16: bituminous coal, F17: anthracite. (https://www.engineeringtoolbox.com/adiabatic-flame-temperature-d_996.html).

Gasóleo ligero se define como un subproducto obtenido de la destilación atmosférica del petróleo que inicia su ebullición entre 175 y 200°C y finaliza entre 320 y 350°C.Light diesel is defined as a by-product obtained from the atmospheric distillation of petroleum that starts boiling between 175 and 200°C and ends between 320 and 350°C.

Gasóleo medio: intermedio se define como un subproducto obtenido de la destilación del petróleo, cuya ebullición tiene lugar en un intervalo comprendido entre la ebullición del gasóleo ligero y la ebullición del gasóleo pesado.Medium diesel: intermediate is defined as a by-product obtained from the distillation of petroleum, whose boiling takes place in an interval between the boiling of light diesel and the boiling of heavy diesel.

Gasóleo pesado se define como producto residual de la destilación del petróleo cuyo intervalo de ebullición se encuentra entre 423 y 600°C.Heavy diesel is defined as the residual product of petroleum distillation whose boiling range is between 423 and 600°C.

Figura 13. Temperaturas (T) para el módulo de membrana de permeación de oxígeno alimentado con diferentes cantidades de aire (aire en exceso para provocar la oxidación completa del combustible). A representa la relación entre el aire introducido (11) y el aire estequiometrico para oxidar todo el material combustible de la corriente de gas combustible (8). Resultados para un módulo de membrana de un área total de membrana de 380 cm2 y una alimentación de CO y CO2 (9,5% de CO) para (11) con las corrientes de entrada a 700°C. a: explicación del proceso; b: temperaturas de salida del aire para de flujos en co­ corriente (14); c: temperaturas de salida del aire para de flujos en contracorriente (14); d: temperaturas máximas dentro del módulo para de flujos en co-corriente (10); e: temperaturas máximas dentro del módulo para de flujos en contracorriente (10). Los puntos dentro de los gráficos indican los casos donde se consigue la oxidación completa del combustible de entrada.Figure 13. Temperatures (T) for the oxygen permeation membrane module fed with different amounts of air (excess air to cause complete oxidation of the fuel). A represents the ratio between the introduced air (11) and the stoichiometric air to oxidize all the combustible material in the combustible gas stream (8). Results for a membrane module with a total membrane area of 380 cm2 and a CO and CO2 feed (9.5% CO) for (11) with the inlet streams at 700°C. a: explanation of the process; b: air outlet temperatures for co-current flows (14); c: air outlet temperatures for countercurrent flows (14); d: maximum temperatures inside the module for co-current flows (10); e: maximum temperatures inside the module for countercurrent flows (10). Points within the graphs indicate cases where complete oxidation of the input fuel is achieved.

Figura 14. Oxígeno extraído en función de las condiciones del proceso y del área de membrana (A) utilizada para el tercer módulo de membrana. La extracción de oxígeno (E02) se ha calculado mediante la relación entre el oxígeno extraído y el oxígeno que entra al módulo de membrana. Entrada de aire de 22.4m3CN/h (CN: condiciones normales). a: esquema del proceso; presión de vacío de 50mbar (b, c y d); presión de vacío de 100 mbar (e, f y g); aire a presión atmosférica (b y e); aire a 2.5 bar (c y f); aire a 5 bar (d y g).Figure 14. Oxygen extracted as a function of the process conditions and the membrane area (A) used for the third membrane module. The oxygen extraction (E02) has been calculated by means of the relation between the extracted oxygen and the oxygen that enters the membrane module. Air inlet of 22.4m3CN/h (CN: normal conditions). a: process scheme; vacuum pressure of 50mbar (b, c and d); vacuum pressure of 100 mbar (e, f and g); air at atmospheric pressure (b and e); air at 2.5 bar (c and f); air at 5 bar (d and g).

Figura 15. Configuración convencional de un intercambiador de calor de placas planas.Figure 15. Conventional configuration of a flat plate heat exchanger.

Ejemplosexamples

Las figuras 1 a 7 muestran ejemplos de diversas realizaciones para el procedimiento y la instalación de la invención.Figures 1 to 7 show examples of various embodiments for the method and installation of the invention.

En todas las realizaciones de la instalación de la invención se utilizan las mismas referencias para los elementos comunes a todas ellas, que se detallan a continuación: La instalación tiene dos principales conductos o líneas de corrientes de entrada: una corriente de material de entrada - corriente gaseosa combustible -(C1) y una corriente rica en oxígeno (C2).In all the embodiments of the installation of the invention, the same references are used for the elements common to all of them, which are detailed below: The installation has two main conduits or input stream lines: a stream of input material - combustible gas stream -(C1) and a stream rich in oxygen (C2).

La instalación tiene varios conductos o líneas de corrientes de salida: la corriente empobrecida en oxígeno (C3) y cada una de las corrientes gaseosas que se obtienen según la aplicación del proceso.The installation has several conduits or output current lines: the oxygen-depleted current (C3) and each of the gaseous currents that are obtained according to the application of the process.

La corriente gaseosa combustible (C1) es impulsada mediante un primer compresor de gases (2).The combustible gas stream (C1) is driven by a first gas compressor (2).

La corriente de entrada al primer compresor (2) es la corriente gaseosa combustible de entrada (1). La corriente de salida del primer compresor (2) es la corriente en fase gas de combustible presurizada (3).The input stream to the first compressor (2) is the input combustible gas stream (1). The output stream of the first compressor (2) is the pressurized fuel gas phase stream (3).

La corriente gaseosa combustible presurizada (3) se calienta hasta la temperatura de entrada a los módulos de membrana mediante un primer dispositivo intercambiador de calor (4).The pressurized combustible gas stream (3) is heated up to the inlet temperature to the membrane modules by means of a first heat exchanger device (4).

La corriente de entrada al primer intercambiador de calor (4) es la corriente gaseosa combustible (3) que proviene del primer compresor (2).The input stream to the first heat exchanger (4) is the combustible gas stream (3) that comes from the first compressor (2).

La corriente de salida del primer sistema intercambiador de calor (4) es la corriente gaseosa combustible presurizada precalentada (5).The output stream of the first heat exchanger system (4) is the preheated pressurized combustible gas stream (5).

La corriente rica en oxígeno (C2) (27) es impulsada mediante un segundo compresor de gases (28).The oxygen-rich stream (C2) (27) is driven by a second gas compressor (28).

La corriente de entrada al segundo compresor (28) es la corriente de entrada rica en oxígeno (27).The input stream to the second compressor (28) is the oxygen-rich input stream (27).

La corriente de salida del segundo compresor (28) es la corriente de entrada rica en oxígeno presurizada (30).The output stream of the second compressor (28) is the pressurized oxygen-rich input stream (30).

La corriente rica en oxígeno (30) se calienta hasta la temperatura de entrada a los módulos de membrana mediante un intercambiador de calor de gases (31).The oxygen-rich stream (30) is heated to inlet temperature to the membrane modules by a gas heat exchanger (31).

Las corrientes de entrada al dispositivo intercambiador de calor (31) son la corriente rica en oxígeno (30) que proviene del compresor (28) y una corriente empobrecida en oxígeno (32) que proviene de la turbina (33). Una de las corrientes de salida del sistema intercambiador de calor (31) es la corriente empobrecida en oxígeno (C3), que llega a la salida a través de la línea de corriente (35). Una de las corrientes de salida del sistema intercambiador de calor (31) es la corriente rica en oxígeno (34)The input streams to the heat exchanger device (31) are the oxygen-rich stream (30) coming from the compressor (28) and an oxygen-depleted stream (32) coming from the turbine (33). One of the output streams of the heat exchanger system (31) is the oxygen-depleted stream (C3), which reaches the outlet through the stream line (35). One of the output streams of the heat exchanger system (31) is the oxygen-rich stream (34)

Para optimizar la presurización (y despresurización) de la línea rica en oxígeno el compresor (28) y la turbina (33) pueden estar conectados al mismo eje (29). To optimize the pressurization (and depressurization) of the oxygen-rich line, the compressor (28) and the turbine (33) can be connected to the same shaft (29).

Ejemplo 1Example 1

La Figura 1 muestra un diagrama de un ejemplo particular de procedimiento y de la instalación para llevarlo a cabo.Figure 1 shows a diagram of a particular example of the procedure and the installation to carry it out.

La instalación tiene en este caso particular tres módulos principales de membranas cerámicas de permeación de oxígeno (M1, M2 y M3), también designados como (6), (10) y (15). Estos módulos presentan membranas planas paralelas cuya área total se encuentra repartida en diferentes secciones dentro de cada módulo. La disposición de las corrientes, geometría del módulo, trayectoria de las corrientes de cada módulo están enfocadas a optimizar el proceso que alberga y optimizar la transmisión de calor entre las diferentes corrientes que pasan a su través.In this particular case, the installation has three main modules of oxygen permeation ceramic membranes (M1, M2 and M3), also designated as (6), (10) and (15). These modules have flat parallel membranes whose total area is divided into different sections within each module. The arrangement of the currents, geometry of the module, path of the currents of each module are focused on optimizing the process that it houses and optimizing the heat transmission between the different currents that pass through it.

La corriente de material de entrada (C1) (corriente gasificada, o corriente en fase gas, de combustible) contiene sustancias combustibles y cuya oxidación completa mediante la reacción con oxígeno produce compuestos gaseosos. La corriente de entrada rica en oxígeno (C2) está compuesta principalmente por O2 y N2.The input material stream (C1) (gasified stream, or gas phase stream, of fuel) contains combustible substances and whose complete oxidation by reaction with oxygen produces gaseous compounds. The oxygen-rich inlet stream (C2) is composed primarily of O2 and N2.

La corriente gaseosa combustible (3) se calienta hasta la temperatura de entrada al primer módulo de membrana (6) mediante el primer dispositivo intercambiador de calor (4). La corriente de entrada al intercambiador de calor (4) es la corriente gaseosa combustible (3) que proviene del compresor (2). La corriente de salida del intercambiador de calor (4) es la corriente gaseosa combustible (5) presurizada calentada.The combustible gas stream (3) is heated up to the inlet temperature to the first membrane module (6) by means of the first heat exchanger device (4). The input stream to the heat exchanger (4) is the combustible gas stream (3) coming from the compressor (2). The output stream from the heat exchanger (4) is the heated pressurized combustible gas stream (5).

La corriente rica en oxígeno (C2) (30) se calienta hasta la temperatura de entrada mediante un segundo intercambiador de calor (31). Las corrientes de entrada al intercambiador de calor (31) son la corriente rica en oxígeno (30) que proviene del compresor (28) y la corriente empobrecida de oxígeno (32) que proviene de la turbina (33). En este caso hay dos corrientes de salida del segundo sistema intercambiador de calor (31), que son una corriente rica en oxígeno (34) y la corriente de salida empobrecida en oxígeno (35).The oxygen-rich stream (C2) (30) is heated to inlet temperature by a second heat exchanger (31). The input streams to the heat exchanger (31) are the oxygen-rich stream (30) coming from the compressor (28) and the oxygen-depleted stream (32) coming from the turbine (33). In this case there are two outlet streams from the second heat exchanger system (31), which are an oxygen rich stream (34) and the oxygen depleted outlet stream (35).

La dosificación o control del flujo volumétrico de las corrientes gaseosas entrantes y salientes a los módulos de membranas de permeación de oxígeno (6) y (10) se realiza mediante un sistema de válvulas (38 y 39). Esta dosificación debe realizarse considerando que al primer módulo de membrana (6) se introduce una cantidad de aire que contiene cantidades de oxígeno menores a la cantidad estequiométrica para oxidar completamente el gas combustible, mientras que al segundo módulo de membrana (10) se introduce una cantidad de aire que contiene un exceso de oxígeno con respecto a la cantidad estequiométrica. En consecuencia, la corriente rica en oxígeno calentada (34) se divide en dos corrientes (36 y 37). La corriente de entrada a la válvula de dosificación (38) del primer módulo de membrana (6) es una corriente rica en oxígeno (36). La corriente de salida de la válvula de dosificación (38) del primer módulo de membrana es una corriente rica en oxígeno (7). La corriente de entrada (39) a la válvula de dosificación del segundo módulo de membrana (10) es una corriente rica en oxígeno (37). La corriente de salida de la válvula de dosificación (39) del segundo módulo de membrana (10) es una corriente rica en oxígeno (11).The dosing or control of the volumetric flow of the incoming and outgoing gas currents to the oxygen permeation membrane modules (6) and (10) is carried out by means of a system of valves (38 and 39). This dosing must be carried out considering that the first membrane module (6) is introduced with an amount of air that contains amounts of oxygen less than the stoichiometric amount to completely oxidize the fuel gas, while the second membrane module (10) is introduced with a amount of air that contains an excess of oxygen with respect to the stoichiometric amount. Consequently, the heated oxygen-rich stream (34) is split into two streams (36 and 37). The input stream to the dosing valve (38) of the first membrane module (6) is a stream rich in oxygen (36). The outlet stream from the dosing valve (38) of the first membrane module is a stream rich in oxygen (7). The inlet stream (39) to the dosing valve of the second membrane module (10) is an oxygen-rich stream (37). The outlet stream from the dosing valve (39) of the second membrane module (10) is a stream rich in oxygen (11).

El primer módulo de membrana (6) tiene como propósito producir - según esta realización particular - nitrógeno a partir de la corriente gaseosa combustible y una corriente rica en oxígeno. Las corrientes de entrada al módulo de membrana (6) son la corriente gaseosa combustible (5), que procede del intercambiador (4) y la corriente rica en oxígeno (7) que procede de la válvula dosificadora (38). Las corrientes de salida del módulo de membrana (6) son la corriente gasificada combustible parcialmente oxidado (8) y la corriente empobrecida en oxígeno (9) cuya composición es N2 prácticamente puro. En esta realización del procedimiento se introduce la corriente rica en oxígeno (7) en una cantidad menor a la cantidad mínima para oxidar todo el material combustible que lleva la corriente gaseosa combustible (5). Teniendo en cuenta que se ha introducido una cantidad de oxígeno menor a la estequiométrica de la corriente gaseosa combustible (5), la cámara de la corriente gaseosa combustible mantendrá una presión de oxígeno muy reducida (del orden de mbar) y, por tanto, la fuerza impulsora del proceso de transporte de oxígeno será muy elevada. En este módulo (6) debe asegurarse que la corriente empobrecida en oxígeno de salida (9) es prácticamente nitrógeno puro y que la transmisión de calor entre las corrientes que atraviesan el módulo es eficaz. Para ello los flujos de entrada al módulo M1 (6) (la corriente gaseosa combustible (5) y la corriente de aire (7)) se disponen en contracorriente. El oxígeno que se intercambia a través de la membrana reacciona con el material combustible aumentando la temperatura, con lo que se mejoran las propiedades de transporte de oxígeno del material. En el caso de ser necesario y con el fin de evitar excesivos calentamientos debidos a la oxidación de gases combustibles, se puede, opcionalmente, recircular parte del dióxido de carbono o el nitrógeno obtenidos en el proceso y así diluir la corriente gaseosa combustible (5) y absorber los calores de oxidación. Considerando que el material combustible de la corriente gaseosa combustible (5) presenta una composición de CxHyOz, la producción máxima de nitrógeno que se podría conseguir es de 2x+y/2-z • 079 mol de N2 por cada mol de material combustible.The purpose of the first membrane module (6) is to produce - according to this particular embodiment - nitrogen from the combustible gas stream and a stream rich in oxygen. The input currents to the membrane module (6) are the combustible gas current (5), which comes from the exchanger (4) and the oxygen-rich current (7) which comes from the dosing valve (38). The outlet streams from the membrane module (6) are the partially oxidized fuel gas stream (8) and the oxygen-depleted stream (9) whose composition is practically pure N2. In this embodiment of the process, the oxygen-rich stream (7) is introduced in an amount less than the minimum amount to oxidize all the combustible material carried by the combustible gas stream (5). Bearing in mind that a less than stoichiometric amount of oxygen has been introduced into the combustible gas stream (5), the combustible gas stream chamber will maintain a very low oxygen pressure (of the order of mbar) and, therefore, the The driving force of the oxygen transport process will be very high. In this module (6), it must be ensured that the output oxygen-depleted stream (9) is practically pure nitrogen and that the heat transfer between the streams that pass through the module is efficient. For this, the input flows to the module M1 (6) (the combustible gas current (5) and the air current (7)) are arranged in countercurrent. The oxygen that is exchanged through the membrane reacts with the combustible material by raising the temperature, thereby improving the oxygen transport properties of the material. If necessary and in order to avoid excessive heating due to the oxidation of combustible gases, part of the carbon dioxide or nitrogen obtained in the process can be optionally recirculated and thus dilute the combustible gas stream (5). and absorb the heats of oxidation. Whereas the combustible material in the combustible gas stream (5) presents a composition of CxHyOz, the maximum nitrogen production that could be achieved is 2x+y/2-z • 079 mol of N2 for each mol of combustible material.

El segundo módulo de membrana (10) tiene como objetivo oxidar completamente la corriente gaseosa combustible (8) que sale parcialmente oxidada del primer módulo de membrana (6). Para ello se introduce en el proceso un exceso (en caudal) de la corriente rica en oxígeno con respecto a la cantidad mínima para oxidar todo el material combustible que lleve la corriente gaseosa combustible (8). Las corrientes de entrada al segundo módulo de membrana (10) son la corriente gaseosa combustible (8), que proviene de la salida del primer módulo de membrana (6), y la corriente rica en oxígeno (11). Las corrientes de salida del segundo módulo de membrana (10) son la corriente gaseosa combustible (13), que está compuesta mayoritariamente por CO2 y vapor de agua (salvo que el material combustible de la corriente gasificada sea CO, en cuyo caso la corriente gaseosa combustible de salida estará compuesta mayoritariamente por CO2), y la corriente de oxígeno (14), empobrecida en oxígeno respecto a C2. El oxígeno que se intercambia a través de la membrana reacciona con el material combustible aumentando la temperatura, con lo que se mejoran las propiedades de transporte de oxígeno del material. La cantidad de aire que se introduce en el segundo módulo (10) M2 debe ser suficientemente elevada para asegurar que el oxígeno intercambiado cause la combustión completa de todo el material combustible que tenga la corriente gaseosa combustible (contenido en hidrocarburos y en monóxido de carbono sea despreciable) y para evitar calentamientos excesivos del módulo debido a los procesos de combustión, a través de un efecto de dilución y distribución del calor en un gran caudal volumétrico. Finalmente, para este módulo (10) los gases pueden distribuirse en flujos cruzados, en flujos en co-corriente o en flujos en contracorriente. La elección final del módulo está supeditada a las necesidades: por ejemplo, considerando que los procesos de oxidación puedan generar temperaturas excesivas dentro del módulo podría ser necesaria una distribución co-corriente que permita una dosificación más gradual del oxígeno intercambiado por las membranas del módulo y, de esta manera, reducir y controlar el avance de las reacciones de oxidación para evitar incrementos excesivos de la temperatura.The purpose of the second membrane module (10) is to completely oxidize the combustible gas stream (8) that comes out partially oxidized from the first membrane module (6). For this, an excess (in flow rate) of the oxygen-rich stream is introduced into the process with respect to the minimum quantity to oxidize all the combustible material carried by the combustible gas stream (8). The input streams to the second membrane module (10) are the combustible gas stream (8), which comes from the outlet of the first membrane module (6), and the oxygen-rich stream (11). The outlet streams from the second membrane module (10) are the combustible gas stream (13), which is composed mainly of CO2 and water vapor (unless the combustible material of the gasified stream is CO, in which case the gas stream output fuel will be composed mainly of CO2), and the oxygen stream (14), depleted in oxygen with respect to C2. The oxygen that is exchanged through the membrane reacts with the combustible material by raising the temperature, thereby improving the oxygen transport properties of the material. The amount of air that is introduced into the second module (10) M2 must be high enough to ensure that the oxygen exchanged causes the complete combustion of all the combustible material that the combustible gas current has (contained in hydrocarbons and in carbon monoxide either negligible) and to avoid excessive heating of the module due to combustion processes, through an effect of dilution and distribution of heat in a large volumetric flow. Finally, for this module (10) the gases can be distributed in crossed flows, in cocurrent flows or in countercurrent flows. The final choice of the module is subject to the needs: for example, considering that the oxidation processes can generate excessive temperatures inside the module, a co-current distribution could be necessary that allows a more gradual dosing of the oxygen exchanged by the module membranes and In this way, reduce and control the progress of oxidation reactions to avoid excessive increases in temperature.

El tercer módulo de membrana (15) tiene como objetivo la extracción de oxígeno de una corriente rica en oxígeno. La corriente de entrada al módulo de membrana (15) es la corriente empobrecida en oxígeno (14) respecto a la corriente (C2) procedente del segundo módulo de membrana (10). Las corrientes de salida del tercer módulo de membrana (15) son la corriente empobrecida en oxígeno (16) y el oxígeno extraído (13). El oxígeno se extrae imponiendo vacío en la cámara de arrastre y alcanzando así una elevada fuerza impulsora. Al no producirse ningún fenómeno adicional, este módulo trabaja de manera isoterma mientras que se mantenga bien aislado térmicamente.The third membrane module (15) has as its objective the extraction of oxygen from a stream rich in oxygen. The input current to the membrane module (15) is the oxygen-depleted current (14) with respect to the current (C2) coming from the second membrane module (10). The output currents of the third membrane module (15) they are the oxygen-depleted stream (16) and the extracted oxygen (13). Oxygen is extracted by imposing a vacuum on the entrainment chamber and thus achieving a high driving force. As no additional phenomenon occurs, this module works in an isothermal manner as long as it remains well insulated thermally.

La corriente gaseosa combustible completamente oxidada (13) que proviene del segundo módulo de membrana (10) está compuesta, principalmente, por dióxido de carbono y vapor de agua. Para su separación se condensa el vapor de agua enfriando la corriente hasta temperatura ambiente (15 - 25°C). Para ello se hace uso de un dispositivo intercambiador de calor (22). La corriente de entrada al sistema intercambiador de calor (22) es la corriente gaseosa combustible completamente oxidada (13) que proviene del segundo módulo de membrana (10). La corriente de salida al sistema intercambiador de calor (22) es la corriente gaseosa combustible completamente oxidada (23).The completely oxidized combustible gas stream (13) coming from the second membrane module (10) is mainly composed of carbon dioxide and water vapor. For its separation, the water vapor is condensed, cooling the stream to room temperature (15 - 25°C). For this, use is made of a heat exchanger device (22). The input stream to the heat exchanger system (22) is the fully oxidized combustible gas stream (13) coming from the second membrane module (10). The output stream to the heat exchanger system (22) is the fully oxidized fuel gas stream (23).

Se utiliza de manera opcional un condensador-separador (24) para evacuar el agua líquida condensada de la corriente gaseosa combustible completamente oxidada (23) procedente del tercer módulo (15) y que ha pasado por el intercambiador de calor (22). La corriente de entrada al condensador-separador (24) es la corriente gaseosa combustible completamente oxidada (23) que proviene del dispositivo intercambiador de calor (22). Las corrientes de salida del condensador-separador (24) son la corriente gaseosa combustible completamente oxidada (25), compuesta mayoritariamente por CO2, y una corriente de agua líquida (26).Optionally, a condenser-separator (24) is used to evacuate the condensed liquid water from the completely oxidized fuel gas stream (23) coming from the third module (15) and which has passed through the heat exchanger (22). The input stream to the condenser-separator (24) is the completely oxidized combustible gas stream (23) coming from the heat exchanger device (22). The outlet streams from the condenser-separator (24) are the completely oxidized combustible gas stream (25), composed mainly of CO2, and a stream of liquid water (26).

Alternativamente, en el caso que la corriente gaseosa combustible de partida (C1) sea una mezcla de CO y CO2, la corriente gaseosa combustible completamente oxidada que proviene del segundo módulo de membrana (13) estará compuesta mayoritariamente por CO2, con lo que no se necesita el condensador separador (24) y la corriente de salida del dispositivo intercambiador de calor (23) sería la corriente final de CO2.Alternatively, in the event that the starting combustible gas stream (C1) is a mixture of CO and CO2, the completely oxidized combustible gas stream coming from the second membrane module (13) will be composed mainly of CO2, so that it needs the separator condenser (24) and the output current of the heat exchanger device (23) would be the final CO2 current.

La corriente de oxígeno que se extrae del tercer módulo (17) debe enfriarse antes de introducirse en un sistema de generación de vacío (20). Para ello se requiere un dispositivo de intercambiadores de calor (18) que disminuya la temperatura la corriente de oxígeno hasta aproximadamente temperatura ambiente. La corriente de entrada al dispositivo intercambiador de calor (18) es la corriente de oxígeno (17) que proviene de la salida del tercer módulo de membrana (15). La corriente de salida del dispositivo intercambiador de calor (18) es una corriente de oxígeno (19). Finalmente, la unidad de generación de vacío (20) impulsa el oxígeno y lo presuriza, induciendo una depresión o vacío aguas arriba. La corriente de entrada para el sistema de generación de vacío (20) es la corriente de oxígeno (19) que proviene del dispositivo intercambiador de calor (18). La corriente de salida para la unidad de vacío (20) es la corriente de oxígeno a la presión de servicio requerida (21).The oxygen stream that is extracted from the third module (17) must be cooled before being introduced into a vacuum generation system (20). For this, a heat exchanger device (18) is required that lowers the temperature of the oxygen stream to approximately room temperature. The input stream to the heat exchanger device (18) is the oxygen stream (17) that comes from the outlet of the third membrane module (15). The output stream of the heat exchanger device (18) is an oxygen stream (19). Finally, the vacuum generation unit (20) drives the oxygen and pressurizes it, inducing a depression or vacuum upstream. The input stream for the vacuum generation system (20) is the oxygen stream (19) coming from the heat exchanger device (18). The output stream for the vacuum unit (20) is the oxygen stream at the required operating pressure (21).

Finalmente, la corriente empobrecida en oxígeno (16) se introduce en una turbina (33) para su revalorización energética. La corriente de entrada a la turbina (33) es una corriente empobrecida en oxígeno (16). La corriente de salida de la turbina (33) es la corriente empobrecida en oxígeno (32) que proviene del tercer módulo de membrana (15). Para optimizar la presurización (y despresurización) de la línea rica en oxígeno el compresor (28) y la turbina (33) pueden estar conectadas al mismo eje (29).Finally, the stream depleted in oxygen (16) is introduced into a turbine (33) for its energetic revaluation. The inlet stream to the turbine (33) is a stream depleted in oxygen (16). The output stream from the turbine (33) is the oxygen-depleted stream (32) coming from the third membrane module (15). To optimize the pressurization (and depressurization) of the oxygen-rich line, the compressor (28) and the turbine (33) can be connected to the same shaft (29).

La Figura 11 muestra los resultados de esta realización relativos al primer módulo de membrana (6) con una mezcla de CO-CO2 como corriente gaseosa combustible (5) y aire como corriente rica en oxígeno (7). La Figura 11.a muestra una vista del primer módulo de membrana. La Figura 11.b y 11.c muestran una vista simplificada del paso de las corrientes de gases por unas cámaras de combustible (69) y de aire (71) para una distribución de flujos en co-corriente (líneas sólidas en las Figuras 11.d, 11.e y 11.f) y contracorriente (líneas discontinuas en las Figuras 11.d, 11.e y 11.f) respectivamente. La Figura 11.d muestra los resultados de los perfiles de temperaturas en la cámara de aire (71) y la fracción molar de oxígeno en la cámara de aire (71) a lo largo de la coordenada longitudinal del módulo de membrana considerando una entrada de aire (7) correspondiente al 25% de la cantidad mínima para conseguir oxidar todo el material combustible de la corriente gaseosa de combustible de entrada (5). La Figura 11.e muestra los resultados de los perfiles de temperaturas en la cámara de aire (71) y la fracción molar de oxígeno en la cámara de aire (71) a lo largo de la coordenada longitudinal del módulo de membrana considerando una entrada de aire (7) correspondiente al 50% de la cantidad mínima para conseguir oxidar todo el material combustible de la corriente gaseosa de combustible de entrada (5). La Figura 11.f muestra los resultados de los perfiles de temperaturas en la cámara de aire (71) y la fracción molar de oxígeno en la cámara de aire (71) a lo largo de la coordenada longitudinal del módulo de membrana considerando una entrada de aire (7) correspondiente al 75% de la cantidad mínima para conseguir oxidar todo el material combustible de la corriente gaseosa de combustible de entrada (5). Los resultados muestran que, para los casos considerados por el ejemplo 1, considerando un área total de membrana fija, para el primer módulo de membrana (6) la disposición de flujos a contracorriente permite generar corrientes de nitrógeno cuyo contenido en oxígeno es menor al 1%, mientras que en el caso de co-corriente, diluir excesivamente la corriente de combustible (5) provoca que el módulo no se caliente eficientemente y, por lo tanto, el oxígeno no permea debido que la resistencia de la membrana actúa como limitante. Se observa que en el caso co-corriente, a medida que se van produciendo las reacciones de oxidación el calor se utiliza para calentar tanto la corriente de CO-CO2 como la corriente de aire. Por otro lado, el oxígeno se va consumiendo en la misma dirección. De manera que, para el caso co-corriente, la temperatura aumenta a medida que la fuerza impulsora disminuye y, debido a esto, los fenómenos de transporte de oxígeno a través de la membrana se van activando a medida que la fuerza impulsora disminuye. Por otro lado, el caso contracorriente, la dirección del combustible provoca que el calentamiento del módulo se produzca en la dirección contraria en la que la fuerza impulsora disminuye. Esto genera que se tengan localizados en la misma zona del módulo las zonas más calientes y las zonas de mayor fuerza impulsora. Con lo que, para la distribución en contracorriente, los fenómenos de transporte de oxígeno a través de la membrana se van activando a medida que aumenta la fuerza impulsora.Figure 11 shows the results of this embodiment relative to the first membrane module (6) with a mixture of CO-CO2 as combustible gas stream (5) and air as oxygen-rich stream (7). Figure 11.a shows a view of the first membrane module. Figures 11.b and 11.c show a simplified view of the passage of gas streams through fuel (69) and air (71) chambers for a co-current flow distribution (solid lines in Figures 11. d, 11.e and 11.f) and countercurrent (dashed lines in Figures 11.d, 11.e and 11.f) respectively. Figure 11.d shows the results of the air chamber (71) temperature profiles and the oxygen mole fraction in the air chamber (71) along the longitudinal coordinate of the membrane module considering an input of air (7) corresponding to 25% of the minimum amount to be able to oxidize all the combustible material of the inlet fuel gas stream (5). Figure 11.e shows the results of the profiles of temperatures in the air chamber (71) and the mole fraction of oxygen in the air chamber (71) along the longitudinal coordinate of the membrane module considering an input of air (7) corresponding to 50% of the minimum amount to oxidize all the combustible material in the inlet fuel gas stream (5). Figure 11.f shows the results of the temperature profiles in the air chamber (71) and the mole fraction of oxygen in the air chamber (71) along the longitudinal coordinate of the membrane module considering an input of air (7) corresponding to 75% of the minimum amount to be able to oxidize all the combustible material of the inlet fuel gas stream (5). The results show that, for the cases considered by example 1, considering a fixed total membrane area, for the first membrane module (6) the arrangement of countercurrent flows makes it possible to generate nitrogen currents whose oxygen content is less than 1%, while in the case of co-current, excessively diluting the fuel current (5) causes the module to not heat efficiently and, therefore, oxygen does not permeate because the resistance of the membrane acts as limiting. It is observed that in the co-current case, as the oxidation reactions take place, the heat is used to heat both the CO-CO 2 current and the air current. On the other hand, oxygen is consumed in the same direction. So, for the co-current case, the temperature increases as the driving force decreases and, due to this, the oxygen transport phenomena through the membrane are activated as the driving force decreases. On the other hand, the countercurrent case, the direction of the fuel causes the heating of the module to occur in the opposite direction in which the driving force decreases. This means that the hottest areas and the areas with the greatest driving force are located in the same area of the module. Thus, for countercurrent distribution, the phenomena of oxygen transport through the membrane are activated as the driving force increases.

La Figura 13 muestra los resultados del ejemplo 1 donde se ha estudiado un caso práctico del segundo módulo de membrana (10) con una mezcla de CO-CO2 como corriente gaseosa combustible (8) y aire como corriente rica en oxígeno (11). Se ha estudiado un caso práctico para la disposición de flujos en co-corriente (Figuras 13.b y 13.d) y contracorriente (Figuras 13.c y 13.e) en el segundo módulo de membrana (10). Las Figuras 13.b y 13.c muestran las temperaturas de la corriente de salida del aire (14) en función de la temperatura de entrada de la corriente de aire (11). Las Figuras 13.d y 13.e muestran las temperaturas máximas dentro del módulo en función de la temperatura de entrada de la corriente de aire (14). Los resultados muestran que, para los casos considerados en el ejemplo 1, considerando el área total de membrana fija, para el segundo módulo de membrana (10) alcanzar oxidaciones completas de la corriente residual sin alcanzar temperaturas excesivas que puedan degradar el módulo requiere introducir excesos de aire elevados y temperaturas de entrada elevadas.Figure 13 shows the results of example 1 where a practical case of the second membrane module (10) has been studied with a mixture of CO-CO 2 as a combustible gas stream (8) and air as a stream rich in oxygen (11). A practical case has been studied for the arrangement of flows in co-current (Figures 13.b and 13.d) and countercurrent (Figures 13.c and 13.e) in the second membrane module (10). Figures 13.b and 13.c show the temperatures of the air outlet stream (14) as a function of the air stream inlet temperature (11). Figures 13.d and 13.e show the maximum temperatures inside the module as a function of the inlet temperature of the air stream (14). The results show that, for the cases considered in example 1, considering the total fixed membrane area, for the second membrane module (10) achieving complete oxidations of the residual current without reaching excessive temperatures that could degrade the module requires introducing excesses. high air flow and high inlet temperatures.

La Figura 14 muestra los resultados del ejemplo 1 donde se ha estudiado un caso práctico del tercer módulo de membrana (15). Se ha considerado aire como corriente rica en oxígeno (14). Los resultados muestran que, para los supuestos considerados en el ejemplo 3, la presión de la corriente de aire de entrada al tercer módulo de membrana y el vacío impuesto mejoran significativamente la extracción de oxígeno reduciendo el área de membrana necesaria para el proceso. Figure 14 shows the results of example 1 where a practical case of the third membrane module (15) has been studied. Air has been considered as a stream rich in oxygen (14). The results show that, for the assumptions considered in Example 3, the pressure of the inlet air stream to the third membrane module and the imposed vacuum significantly improve oxygen extraction by reducing the membrane area necessary for the process.

Ejemplo 2Example 2

U na se g u n d a alternativa del procedim iento conform e a la invención se m uestra en la figura 2.A second alternative of the procedure according to the invention is shown in figure 2.

E sta variante del procedim iento presenta una alternativa en cuanto a la dosificación de la corriente rica en oxígeno en los m ódulos M 1 y M2. En este ca so la corriente rica en oxígeno ( 11 ) en el dispositivo intercam biador de calo r (31) se introduce al segund o m ódulo de m em brana (10). La corriente em pobrecida en oxígeno (14 ) de sa lid a del segundo módulo de m em brana (10) se d osifica m ediante un s istem a de vá lvu las de dosificación (44, 45 y 46) para recircu lar esta corriente al prim er m ódulo de m em brana (6), al tercer m ódulo de m em brana (15 ) y a la turbina (33). D e m anera que la corriente de oxígeno em pobrecido (14 ) que proviene del segund o m ódulo de m em brana (10) se divide en tres corrientes (41, 42 y 43) que se introducen en las v á lvu las d o sificadoras. La corriente de entrada a la prim era vá lvu la dosificadora (44) e s una fracción de la corriente de aire em pobrecido (41). La corriente de entrada a la se g u n d a vá lvu la dosificadora (45) e s una fracción de la corriente de oxígeno em pobrecida (42) respecto a (C 2 ) y la corriente de sa lid a e s la corriente rica en oxígeno (48) de entrada al tercer m ódulo de m em brana (15 ). La corriente de oxígeno em pobrecido (16 ) que proviene del tercer m ódulo de m em brana (15 ) y la corriente de sa lid a de la prim era vá lvu la dosificadora (44) se unen y se introducen en una corriente em pobrecida en oxígeno (40) que se introduce en la turbina (33). La corriente de entrada a la tercera vá lvu la dosificadora (46) e s una fracción de la corriente em pobrecida en oxígeno (43) que proviene del seg un d o m ódulo de m em brana (10 ). La corriente de sa lid a de la tercera vá lvu la dosificadora e s la corriente rica en oxígeno (7) de entrada al prim er m ódulo de m em brana. E sta corriente (7), com o en el c a so del e jem plo 1, debe contener una cantidad de oxígeno m enor que la cantidad estequiom étrica para oxidar com pletam ente la corriente com bustible (5), se sum inistra al tercer m ódulo de m em brana (15 ) com o corriente (48) que sum inistra oxígeno al m ódulo (15 ) y a la turbina (33). D e esta m anera la dosificación la de las v á lvu las d o sificad o ras (44, 45, y 46) se realiza co n sideran d o que la corriente de sa lid a de oxígeno em pobrecido (9) debe se r prácticam ente N2 puro y la cantidad de oxígeno que se d e se a producir (21).This variant of the procedure presents an alternative in terms of the dosing of the oxygen-rich current in the modules M 1 and M 2 . In this case, the oxygen-rich stream (11) in the heat exchanger device (31) is introduced to the second membrane module (10). The current depleted in oxygen (14) from the second membrane module (10) is dosed by means of a system of dosing valves (44, 45 and 46) to recirculate this current to the first membrane module (6), to the third membrane module (15) and to the turbine (33). Thus, the stream of depleted oxygen (14) that comes from the second membrane module (10) is divided into three streams (41, 42 and 43) that are introduced into the dosing valves. The input stream to the first dosing valve (44) is a fraction of the lean air stream (41). The inlet stream to the second dosing valve (45) is a fraction of the depleted oxygen stream (42) with respect to (C 2 ) and the outlet stream is the oxygen-rich stream (48) of entrance to the third membrane module (15). The depleted oxygen stream (16) that comes from the third membrane module (15) and the outlet stream from the first dosing valve (44) are combined and introduced into a depleted stream into oxygen (40) which is introduced into the turbine (33). The input stream to the third dosing valve (46) is a fraction of the oxygen-depleted stream (43) that comes from the second membrane dome module (10). The output stream from the third dosing valve is the oxygen-rich stream (7) input to the first membrane module. This stream (7), as in the case of example 1, must contain an amount of oxygen less than the stoichiometric amount to completely oxidize the combustible stream (5), it is supplied to the third membrane module (15) as current (48) that supplies oxygen to the module (15) and to the turbine (33). In this way, the dosing of the dosing valves (44, 45, and 46) is carried out considering that the depleted oxygen outlet current (9) must be practically between pure N 2 and the amount of oxygen that is to be produced (21).

Ejemplo 3Example 3

La Fig u ra 3 m uestra un e jem plo particular de procedim iento conform e a la invención, una alternativa del procedim iento para producir O 2 y C O 2. En este c a so se prescind e del prim er m ódulo de m em brana con respecto a los dos prim eros e jem plos (Figura 1 y F ig u ra 2). S e o b serva que la corriente g a se o s a com bustible (5) que sa le del prim er intercam biador de calo r (4) e s la corriente de entrada al seg un d o m ódulo de m em brana (10). E n este ca so toda la corriente rica en oxígeno calentada (11) en el segundo sistema intercambiador de calor (31) se introduce al segundo módulo de membrana (10).Figure 3 shows a particular example of a process according to the invention, an alternative process to produce O 2 and CO 2 . In this case, the first membrane module is omitted with respect to the first two examples (Figure 1 and Figure 2). It is observed that the fuel gas current (5) that comes out of the first heat exchanger (4) is the input current to the second membrane module (10). In this case All of the heated oxygen-rich stream (11) in the second heat exchanger system (31) is introduced to the second membrane module (10).

Ejemplo 4Example 4

La Figura 4 muestra un ejemplo particular - con variantes posibles, cómo se lee al final del párrafo - de procedimiento conforme a la invención para producir N2 y CO2. Se observa que en este caso se prescinde del tercer módulo de membrana con respecto a los dos primeros ejemplos (Figura 1 y Figura 2). Se observa la corriente de salida empobrecida en oxígeno (14) del segundo módulo de membrana (10) se recircula a la turbina (33) como corriente de entrada. Adicionalmente, dependiendo de la aplicación final de las corrientes gaseosas obtenidas, el procedimiento puede opcionalmente incorporar un sistema de presurización de las diferentes corrientes que se producen tal y como lo muestra la figura. Por lo tanto, una variante de esta realización sería una realización en la que las corrientes de nitrógeno y dióxido de carbono obtenidas no están presurizadas y por ello, no estarían presentes los compresores (49) y (51).Figure 4 shows a particular example - with possible variants, how it reads at the end of the paragraph - of a process according to the invention to produce N 2 and CO 2 . It can be seen that in this case the third membrane module is dispensed with with respect to the first two examples (Figure 1 and Figure 2). The oxygen-depleted outlet stream (14) from the second membrane module (10) is observed to be recirculated to the turbine (33) as the input stream. Additionally, depending on the final application of the gas streams obtained, the procedure can optionally incorporate a pressurization system for the different streams that are produced as shown in the figure. Therefore, a variant of this embodiment would be an embodiment in which the nitrogen and carbon dioxide streams obtained are not pressurized and therefore the compressors (49) and (51) would not be present.

En el caso de que la corriente de esté presurizada, para el sistema de presurización del CO2 (49), la corriente de entrada es la corriente de CO2 (25) que proviene del condensadorseparador (24) y la corriente de salida es una corriente de CO2 (50) a la presión de servicio requerida. El nitrógeno que sale del primer módulo de membrana (9) es enfriado hasta prácticamente temperatura ambiente mediante un intercambiador de calor (73), del cual sale como una corriente de N2 (74). Finalmente, se dispone de un sistema de presurización del N2 (51). La corriente de entrada a este sistema de presurización (51) es la corriente de N2 (74) que sale del intercambiador de calor (73). La corriente de salida del sistema de presurización del N2 (51) es una corriente de N2 (52) a la presión de servicio requerida. La dosificación o control del flujo volumétrico de las corrientes gaseosas entrantes y salientes a los módulos de membranas de permeación de oxígeno (6) M1 y M2 (10) se realiza mediante un sistema de válvulas (38 y 39) como en el caso del ejemplo 1.In the event that the current is pressurized, for the CO 2 pressurization system (49), the input current is the CO 2 current (25) that comes from the separator condenser (24) and the output current is a CO 2 stream (50) at the required service pressure. The nitrogen leaving the first membrane module (9) is cooled to practically room temperature by means of a heat exchanger (73), from which it leaves as a stream of N 2 (74). Finally, there is a N 2 pressurization system (51). The input stream to this pressurization system (51) is the N 2 stream (74) that comes out of the heat exchanger (73). The output stream of the N 2 pressurization system (51) is a stream of N 2 (52) at the required service pressure. The dosing or control of the volumetric flow of the incoming and outgoing gas streams to the oxygen permeation membrane modules (6) M 1 and M 2 (10) is carried out by means of a system of valves (38 and 39) as in the case from example 1.

Ejemplo 5Example 5

La Figura 5 muestra un ejemplo particular de procedimiento conforme a la invención para la producción de N2 y O2. En este caso se prescinde del segundo módulo de membrana con respecto a los dos primeros ejemplos (Figura 1 y Figura 2). La corriente gaseosa combustible parcialmente oxidado que sale del primer módulo de membrana (8) y la corriente rica en oxígeno empobrecido de salida del tercer módulo de membrana (16) se introducen en un combustor (53) para terminar de oxidar el material combustible de la corriente g a se o s a parcialm ente oxidado. La corriente de sa lid a del com bustor (54) se introduce en la turbina (33).Figure 5 shows a particular example of a process according to the invention for the production of N 2 and O 2 . In this case, the second membrane module is dispensed with with respect to the first two examples (Figure 1 and Figure 2). The partially oxidized combustible gaseous stream leaving the first membrane module (8) and the depleted oxygen-rich stream exiting the third membrane module (16) are introduced into a combustor (53) to finish oxidizing the combustible material of the current ga dare partially oxidized. The output stream from the combustor (54) is fed into the turbine (33).

La dosificación o control del flujo volum étrico de las corrientes g a se o s a s entrantes y sa lien te s a los m ódulos de m em b ran as de perm eación de oxígeno M 1 y M2 se realiza m ediante un sistem a de v á lv u la s (38 y 39) com o en el c a so del ejem plo 1.The dosing or control of the volumetric flow of the incoming and outgoing gas streams to the oxygen permeation membrane modules M 1 and M 2 is carried out by means of a valve system u las (38 and 39) as in the case of example 1.

El nitrógeno que sa le del prim er m ódulo de m em brana (9) e s enfriado y presurizado del m ism o m odo y con los m ism o s com ponentes que se utilizan en el ejem plo 4, m ostrados en la figura 4.The nitrogen that comes out of the first membrane module (9) is cooled and pressurized in the same way and with the same components that are used in example 4, shown in figure 4.

Ejemplo 6Example 6

La Fig u ra 6 m uestra un e jem plo particular de procedim iento conform e a la invención que incluye dos m ódulos de m em bran as ad ic io n a le s (M4 y M5 ) (58) y (59) para la purificación de las corrientes de N 2 y C O 2. L a s corrientes de N 2 (9) y C O 2 (13 ) producidos en el prim er m ódulo de m em brana (6) y el seg un d o m ódulo de m em brana (10 ) respectivam ente pueden contener can tidad es s ign ificativas de oxígeno co n sideran d o la pureza requerida en su s posteriores a p licacio n es. P a ra la elim inación del oxígeno que pueda contener las corrientes a purificar se va h a ce r uso de m ódulos de m em b ran as de perm eación de oxígeno donde la corriente a purificar entra al m ódulo com o corriente que sum inistra oxígeno al s istem a ((55) para el N 2 y (57) para el C O 2 ). C o m o m uestra la figura, la corriente g a se o s a com bustible (55) entra en estos m ódulos com o corriente de arrastre de los m ódulos ad ic io n a les. L a s corrientes de entrada al prim er m ódulo adicional (56) son la corriente g a se o s a com bustible (55) y la corriente de N2 a purificar (9) que proviene de la sa lid a del prim er m ódulo de m em brana (6). L a s corrientes de sa lid a s del prim er m ódulo de m em brana adicional (56) son la corriente g a se o s a com bustible (57) y la corriente de N2 purificada (58). L a s corrientes de entrada al seg un d o m ódulo ad icional (59) son la corriente g a se o sa com bustible (57) que proviene de la sa lid a del prim er m ódulo de m em brana ad icional (56) y la corriente de C O 2 a purificar (13 ) que proviene de la sa lid a del segund o m ódulo de m em brana (10). L a s corrientes de sa lid a s del segund o m ódulo de m em brana ad icional (59) son la corriente g a se o s a com bustible (5) y la corriente de C O 2 purificada (60). Finalm ente, el oxígeno extraído de las corrientes a purificar va a c a u sa r una ligera oxidación en la corriente g a se o s a com bustible que provocará un ligero aum ento de la tem peratura. Los m ódulos de m em brana ad ic io n a le s (56 y 59) presentan una distribución de flujos a contracorriente para a se g u ra r el intercam bio com pleto de oxígeno d esd e las corrientes a purificar hasta las corrientes com bustibles. Figure 6 shows a particular example of a procedure according to the invention that includes two additional membrane modules (M 4 and M 5 ) (58) and (59) for the purification of the currents of N 2 and CO 2 . T he currents of N 2 (9) and CO 2 (13 ) produced in the first membrane module (6) and the second membrane module (10 ) respectively can contain quantities of significant amounts of oxygen considering the purity required in its subsequent applications. For the elimination of the oxygen that the streams to purify may contain, use will be made of oxygen permeation membrane modules where the stream to be purified enters the module as a stream that supplies oxygen to the system ((55) for N 2 and (57) for CO 2 ). As the figure shows, the gas or fuel current (55) enters these modules as a drag current for the additional modules. The input currents to the first additional module (56) are the combustible dry gas current (55) and the N 2 current to be purified (9) that comes from the output of the first additional module. embrana (6). The output streams of the first additional membrane module (56) are the combustible dry gas stream (57) and the purified N 2 stream (58). The input currents to the second additional module (59) are the combustible gaseous current (57) that comes from the output of the first additional membrane module (56) and the CO 2 stream to be purified (13) that comes from the outlet of the second membrane module (10). The output currents of the second additional membrane module (59) are the combustible dry gas current (5) and the purified CO 2 current (60). Finally, the oxygen extracted from the streams to be purified will cause a slight oxidation in the combustible gas stream that will cause a slight increase in temperature. The additional membrane modules (56 and 59) have a countercurrent flow distribution to ensure complete oxygen exchange from the streams to be purified to the combustible streams .

S e g ú n una alternativa adicional, otra m anera de purificar las corrientes de C O 2 y/o N2 puede se r la utilización de m em bran as polim éricas de perm eación de oxígeno. En este caso , las corrientes a purificar deben s e r enfriadas h a sta tem peratura atm osférica y p resu rizad as para poder llevar a cabo el proceso.According to a further alternative, another way of purifying the CO 2 and/or N 2 streams can be the use of polymeric oxygen permeation membranes. In this case, the currents to be purified must be cooled down to atmospheric temperature and pressurized in order to carry out the process.

L a corriente g a se o s a com bustible com pletam ente oxidada q ue proviene del segundo m ódulo de m em brana (13 ) está com puesta, principalm ente, por dióxido de carbono y vapor de agua, cóm o en el ca so del e jem plo 1. P a ra su sep ara ció n se utilizan los m ism os com ponentes y procedim iento que en el c a so de e jem plo 1.The completely oxidized combustible gas stream that comes from the second membrane module (13) is composed mainly of carbon dioxide and water vapor, as in the case of e Example 1. For its separation, the same components and procedure are used as in the case of Example 1.

La dosificación o control del flujo volum étrico de las corrientes g a se o s a s entrantes y sa lien te s a los m ódulos de m em b ran as de perm eación de oxígeno M 1 y M2 se realiza m ediante un sistem a de v á lv u la s (38 y 39) com o en el ca so del e jem plo 1.The dosing or control of the volumetric flow of the incoming and outgoing gas streams to the oxygen permeation membrane modules M 1 and M 2 is carried out by means of a valve system u las (38 and 39) as in the case of example 1.

Ejemplo 7Example 7

La Fig u ra 7 m uestra un e jem plo particular de procedim iento conform e a la invención que integra el procedim iento descrito en el e jem plo 1, m ostrado en la F ig u ra 1, en un proceso de revalorización term oquím ica de b iom asa. En este caso , la fuente de la corriente com bustible ( C 1 ) e s la b io m asa. La b io m asa se g a sifica m ediante un reactor term oquím ico (64). L a s corrientes de entrada al reactor term oquím ico (64) son la b io m asa (61), una corriente de arrastre (63), que está com puesta por un g a s inerte y puede contener vapor de a g u a para m ejorar el proceso (en el c a so de s e r necesario) y una corriente rica en oxígeno (62) (salvo que el p roceso term oquím ico s e a un proceso de pirólisis, en cuyo ca so no se introduce ningún com ponente que pueda provocar la oxidación del m aterial). L a s corrientes de sa lid a del reactor term oquím ico (64) e s la corriente g a sifica d a (66) y las c e n iza s que la b io m asa contenga (65). La corriente g a sifica d a e s llevada a una torre de fraccionam iento (67) para sep a ra r los g a se s ligeros de los g a se s p esado s. La corriente de entada a la torre de fraccionam iento (67) e s la corriente g a sifica d a (66) que proviene del reactor term oquím ico (64). L a s corrientes de sa lid a son las corrientes de g a se s ligeros (68), ca d a una de las corrientes producto en la que se d istribuya el fraccionam iento (74, 75, 76, 77) y la corriente líquida de com puestos p esad o s (78). E n este caso , la corriente líquida de com puestos p esad o s (78) representa la corriente de com bustible de partida para los m ódulos de m em brana. D ebido a que la corriente entra en el proceso en fa se líquida, en este ca so la im pulsión de la corriente se realiza con una bom ba h idráulica (79) a la presión de operación (considerando las pérd idas de carg a de los diferentes equipos a g u a s abajo). La corriente de entrada a la bom ba h id ráulica (79) e s la corriente líq uida de p e sa d o s (78) que proviene de la torre de fraccionam iento (67). La corriente de sa lid a de la bom ba hidráulica (79) e s la corriente líquida de p esad o s p resu rizad as (80). En este ca so para llevar a la corriente com bustible a las co n dicio n es de los m ódulos de m em b ran as requiere evap o rar antes de calentar la corriente h asta la tem peratura de operación. P a ra ellos se d ispone un evap o rad o r (81) para g a sifica r la corriente com bustible. La corriente de entrada al evap o rad o r (12 ) e s la corriente líquida de com puestos p esad o s (80) que proviene de la bom ba h id ráulica (79). La corriente de sa lid a del evap o rad o r (12 ) e s la corriente g asifica d a de com puestos p e sa d o s (3). Un buen d iseñ o de los m ódulos de m em brana puede generar sufic ientes can tidad es de las corrientes de C O 2 y O 2 para se r co n sid e ra d a s para la alim entación del reactor term oquím ico.Figure 7 shows a particular example of a procedure according to the invention that integrates the procedure described in example 1, shown in Figure 1, in a thermochemical revaluation process of biomase. In this case, the source of the fuel stream (C 1 ) is the biomass. The biomass is gasified by means of a thermochemical reactor (64). The input currents to the thermochemical reactor (64) are the biomass (61), a drag current (63), which is composed of an inert gas and may contain water vapor to improve the process (if necessary) and a current rich in oxygen (62) (unless the thermochemical process is a pyrolysis process, in which case no component is introduced that could cause oxidation of the m material). The output currents of the thermochemical reactor (64) is the gasified current (66) and the ashes that the biomass contains (65). The gasified stream is taken to a fractionation tower (67) to separate the light gases from the thickened gases. The input current to the fractionation tower (67) is the gasified current (66) that comes from the thermochemical reactor (64). The output currents are the light gas currents (68), each one of the product currents in which the fractionation is distributed (74, 75, 76, 77) and the liquid current of com heavy positions (78). In this case, the liquid stream of heavy compounds (78) represents the starting fuel stream for the membrane modules. Due to the fact that the current enters the process in the liquid phase, in this case the impulsion of the current is carried out with a hydraulic pump (79) at the operating pressure (considering the head losses of the different equipment downstream). The input stream to the hydraulic pump (79) is the heavy liquid stream (78) that comes from the fractionation tower (67). The output current of the hydraulic pump (79) is the liquid current of heavy or pressurized as (80). In this case for Bringing the fuel stream to the conditions of the membrane modules requires evaporation before heating the stream to operating temperature. An evaporator (81) is available for them to gasify the fuel stream. The input stream to the evaporator (12) is the liquid stream of heavy compounds (80) that comes from the hydraulic pump (79). The outlet current from the evaporator (12) is the gasified current of heavy compounds (3). A good design of the membrane modules can generate sufficient quantities of the CO 2 and O 2 streams to be considered for the feeding of the thermochemical reactor.

Ejemplo 8 .Example 8.

M ódulo de m em brana para la producción de N 2 a partir de aire com o corriente rica en oxígeno y una corriente g a se o s a com bustible co m puesta de C O y C O 2. La corriente g a se o s a com bustible inicial de entrada se com pone de 57 , 1 % de C O en C O 2. La corriente g a se o s a com bustible in icial de entrada se diluye con C O 2 para d ism inuir el increm ento de la tem peratura debido a las re acc io n e s de oxidación tal que r = - — Fco2-------- donde r e s la F combustible inicialMembrane module for the production of N 2 from air as an oxygen-rich stream and a combustible gaseous stream composed of CO and CO 2 . The initial incoming fuel gas stream is composed of 57.1% CO in CO 2 . The initial incoming fuel gas stream is diluted with CO 2 to slow down the temperature increase due to oxidation reactions such that r = - — Fco2------- - where is the initial fuel F

relación m olar entre el cau dal de entrada de C O 2 d iluyente y el cau dal de entrada g a se o s a com bustible inicial y F i e s el cau dal m olar de la corriente de entrada i. S e han probado diferentes d ilucio nes d esd e r= 2.5 h asta r= 10. T o d a s las corrientes entran a 700 °C . La línea de aire está presu rizad a a 2.5 bar de presión absoluta. S e han utilizado can tid ad es de aire al 2 5 % , 50 % y 75 % de la cantidad de aire estequiom etrica. El m ódulo de m em brana co nsiderad o tiene 5 m em bran as de 380 cm 2 por m em brana. S e ha co n siderad o distribución de flujos en co-corriente y contracorriente. La d istan cia longitudinal entre la entrada las cá m a ra s del m ódulo y la sa lid a de ca d a cá m a ra e s de 20 cm. El transporte de oxígeno a través de la m em brana se ha sim ulad o a partir de la siguiente ecuación:molar ratio between the input flow rate of CO 2 diluent and the input flow rate of initial fuel gas and F is the molar flow rate of the input stream i. Different dilutions have been tested from er= 2.5 to r= 10. All streams enter at 700 °C. The air line is pressurized to 2.5 bar absolute pressure. Amounts of air at 2 5%, 50% and 75% of the stoichiometric amount of air have been used. The considered membrane module has 5 membranes of 380 cm 2 per membrane. The distribution of co-current and counter-current flows has been considered. The longitudinal distance between the entrance of the module's chambers and the exit of each chamber is 20 cm. The transport of oxygen through the membrane has been simulated from the following equation:

Figure imgf000039_0001
Figure imgf000039_0001

Donde J 02 e s el flujo m olar de oxígeno por unidad de área, K e s la constante de perm eabilidad, paire e s la presión total en la cá m a ra de aire, parrastre e s la presión en la cá m a ra de arrastre y xo2 ,i e s la fracción m olar de oxígeno en la cá m a ra i, T e s la tem peratura, x e s la co o rd enada longitudinal y tol e s un parám etro para evitar indeterm inaciones en el cálcu lo fijado en 10 -5. La K se c a lcu la en función de la tem peratura para poder predecir la m ejora de la perm eación a m edida que aum enta la tem peratura. La transm isión de calo r se ha realizado co n sideran d o la conducción térm ica entre las dos p aredes de la m em brana, m ediante la ecuación:Where J 02 is the molar flux of oxygen per unit area, K is the permeability constant, paire is the total pressure in the air chamber, paradrag is the pressure in the drag chamber and xo 2 ,is the molar fraction of oxygen in chamber i, T is the temperature, x is the longitudinal coordinate and tol is a parameter to avoid indeterminations in the calculation set to 10 -5. The K is calculated as a function of the temperature in order to be able to predict the improvement of the permeation as the temperature increases. The transmission of heat has been carried out considering the thermal conduction between the two walls of the membrane, through the equation:

dAgives

C a lo r _ kMEMB ^ ^ (Tsweep(x) - T aire(x) ) H a r _ kMEMB ^ ^ (Tsweep(x) - T air(x) )

donde kMEMB e s la conductividad térm ica de la m em brana, dA e s el diferencial de á re a de la m em brana, dx e s el diferencial de longitud, Ti(x) e s la tem peratura en la cá m a ra i en la posición x y x representa la posición longitudinal. La reacción de oxidación que se produce en la cá m a ra de sw eep (69) es: C O 0 ,5 02 ^ C O 2. El ca lo r de reacción se ha calcu lado m ediante la entalp ía de reacción de la reacció n de com bustión. Los resultados se m uestran en la figura 11.where kMEMB is the thermal conductivity of the membrane, dA is the area differential of the membrane, dx is the length differential, Ti(x) is the temperature in the chamber i in the position x and x represents the longitudinal position. The oxidation reaction that occurs in the sweep chamber (69) is: CO 0 .5 02 ^ CO 2 . The heat of reaction has been calculated using the enthalpy of reaction of the combustion reaction. The results are shown in Figure 11.

Ejemplo 9. Módulo de m em brana para la oxidación com pleta una corriente con m aterial com bustible a partir de aire com o corriente rica en oxígeno y una corriente g a se o sa com bustible com puesta de C O y C O 2. La corriente g a se o s a de com bustible se com pone de 9 .5 % de C O en C O 2. La tem peratura de las corrientes de entrada se ha ido variando tal que, la corriente de aire se ha introducido a tem peraturas d esd e 600 °C hasta 8 15 ° C y la corriente de arrastre se ha introducido a 600 °C y a 700 °C . La lín ea de aire está p resurizad a a 2.5 bar de presión absoluta. El aire se introduce en exceso , sien d o A la relación m olar entre el cau dal m olar de aire de entrada (Faire) y el caudal m olar de aire estequiom étrico (Faire estequiométrico), tal que A = -F -a-i-r-e--e--s Example 9. Membrane module for the complete oxidation of a stream with combustible material from air as a stream rich in oxygen and a combustible gaseous stream composed of CO and CO 2 . The gaseous fuel stream is composed of 9.5% CO in CO 2 . The temperature of the inlet streams has been varied such that the air stream has been introduced at temperatures from 600 °C to 8 15 °C and the drag stream has been introduced at 600 °C and 700 °C. °C . The air line is pressurized to 2.5 bar absolute pressure. The air is introduced in excess, being A the molar relationship between the molar flow rate of inlet air (Faire) and the molar flow rate of stoichiometric air (Faire stoichiometric), such that A = - F - a - i - r - e -- e -- s

tequio --m-- tequio -- m --

é-- he --

tr-i-c-o- . S e han probado diferentes e x ce so s de aire, d esd e A = 5 hasta A = 20. El m ódulo de m em brana co nsiderad o tiene 5 m em bran as de 380 cm 2 por m em brana. S e ha co n siderad o distribución en co-corriente y contracorriente. S e han m edido las tem peraturas de sa lid a de la corriente de aire y la tem peratura m áxim a que a lc a n za el s istem a. La d istan cia longitudinal entre la entrada las cá m a ra s del m ódulo y la sa lid a de ca d a cá m a ra e s de 20 cm. El transporte de oxígeno a través de la m em brana se ha sim ulad o a partir de la siguiente ecuación: tr - i - c - o- . Different excesses of air have been tested, from A = 5 to A = 20. The considered membrane module has 5 membranes of 380 cm 2 per membrane. Distribution in co-current and countercurrent has been considered. The outlet temperatures of the air stream and the maximum temperature reached by the system have been measured. The longitudinal distance between the entrance of the module's chambers and the exit of each chamber is 20 cm. The transport of oxygen through the membrane has been simulated from the following equation:

Figure imgf000040_0001
Figure imgf000040_0001

Donde J 02 e s el flujo m olar de oxígeno por unidad de área, K e s la constante de perm eabilidad, paire e s la presión total en la cá m a ra de aire, parrastre e s la presión en la cá m a ra de arrastre y xO2 ,i e s la fracción m olar de oxígeno en la cá m a ra i, T e s la tem peratura, x e s la co o rd enada longitudinal y tol e s un parám etro para evitar indeterm inaciones en el cálcu lo fijado en 10 -5. La K se c a lcu la en función de la tem peratura para poder predecir la m ejora de la perm eación a m edida que aum enta la tem peratura. La transm isión de calo r se ha realizado co n sideran d o la conducción térm ica entre las dos p aredes de la m em brana, m ediante la ecuació n:Where J 02 is the molar flux of oxygen per unit area, K is the permeability constant, paire is the total pressure in the air chamber, paradrag is the pressure in the drag chamber and xO 2 ,is the molar fraction of oxygen in chamber i, T is the temperature, x is the longitudinal coordinate and tol is a parameter to avoid indeterminations in the calculation set to 10 -5. The K is calculated as a function of the temperature in order to be able to predict the improvement of the permeation as the temperature increases. The transmission of heat has been carried out considering the thermal conduction between the two walls of the membrane, through the equation:

dAgives

C a |o r = kMEMB ^ ^ (Tsweep(x) - T aire(x) ) C a |or = kMEMB ^ ^ (Tsweep(x) - T air(x) )

donde kMEMB e s la conductividad térm ica de la m em brana, dA e s el diferencial de á re a de la m em brana, dx e s el diferencial de longitud, Ti(x) e s la tem peratura en la cá m a ra i en la posición x y x representa la posición longitudinal. La reacción de oxidación que se produce en la cá m a ra de sw eep (69) es: C O 0.5 02 ^ C O 2. El ca lo r de reacción se ha calcu lado m ediante la entalp ía de reacción de la reacció n de com bustión. Los resultados se m uestran en la figura 13.where kMEMB is the thermal conductivity of the membrane, dA is the area differential of the membrane, dx is the length differential, Ti(x) is the temperature in the chamber i in the position x and x represents the longitudinal position. The oxidation reaction that occurs in the sweep chamber (69) is: CO 0.5 02 ^ CO 2 . The heat of reaction has been calculated using the enthalpy of reaction of the combustion reaction. The results are shown in figure 13.

Ejemplo 10. Módulo de m em brana para la obtención de oxígeno a partir de aire com o corriente rica en oxígeno e im poniendo vacío .Example 10. Membrane module for obtaining oxygen from air as a stream rich in oxygen and imposing a vacuum.

Este ejem plo pretende ilustrar el tercer m ódulo de m em brana de los e jem plos 1, 2, 3, 5, 6 y 7. En estos c a s o s e s una perm eación de O 2 d esd e una corriente rica en O 2.This example is intended to illustrate the third membrane module of examples 1, 2, 3, 5, 6 and 7. In these cases it is an O 2 permeation from a current rich in O 2 .

La tem peratura de la corriente de entrada se ha ido variando d esd e 900 °C h asta 1050 °C . S e han probado diferentes p resu rizacio n es de la lín ea de aire d esd e 1 bar h asta 5 bar de presión absoluta. S e han probado dos p resio nes de vacío : 50 m b ar y 100m bar. S e ha estudiado diferentes á re a s de m em brana (desde 0 ,5 m3 hasta 10 m 3). La equ iva le n cia entre área de m em brana y núm ero de m em bran as se ha realizado co nsiderand o m em bran as de 380 cm 2. El transporte de oxígeno a través de la m em brana se ha sim ulado a partir de la siguiente ecuació n:The inlet stream temperature has been varying from 900 °C to 1050 °C. Different air line pressurizations have been tested from 1 bar up to 5 bar absolute pressure. Two vacuum pressures have been tested: 50 m bar and 100 m bar. Different membrane areas have been studied (from 0.5 m3 to 10 m3). The equivalence between membrane area and number of membranes has been carried out considering 380 cm 2 membranes. Oxygen transport through the membrane has been simulated at starting from the following equation:

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Figure imgf000041_0001

Donde J 02 e s el flujo m olar de oxígeno por unidad de área, K e s la constante de perm eabilidad, paire e s la presión total en la cá m a ra de aire, pvacío e s la presión en la cá m a ra de arrastre y xo2 ,i e s la fracción m olar de oxígeno en la c á m a ra i, T e s la tem peratura y x e s la co o rd enada longitudinal. La K se c a lcu la en función de la tem peratura para poder predecir la m ejora de la perm eación a m edida que aum enta la tem peratura. Los resultados se m uestran en la figura 14.Where J 02 is the molar flux of oxygen per unit area, K is the permeability constant, paire is the total pressure in the air chamber, pvacuum is the pressure in the entrainment chamber, and xo 2 ,is the mole fraction of oxygen in chamber i, T is the temperature, and x is the longitudinal coordinate. The K is calculated as a function of the temperature in order to be able to predict the improvement of the permeation as the temperature increases. The results are shown in Figure 14.

Ejemplo 11Example 11

S e han d iseñ ad o m ódulos de m em bran as p lan as de perm eación de oxígeno con d ive rsa s configuraciones m ostradas en las F ig u ra s 8, 9 y 10. E sta s figuras no pretenden dar una m uestra de geo m etrías y p lanos fijos para los m ódulos de m em brana sino e sc la re ce r la distribución interna de las corrientes de g a s por el m ódulo. A sim ism o , hay m ás detalles constructivos que pueden se r m odificados en función de las n e ce sid a d e s del m ódulo. Por ejem plo, el núm ero de m em bran as del m ódulo en función de las n e ce sid a d e s de área del proceso o el núm ero de carriles para co nducir a las corrientes h asta las cá m a ra s del módulo o extraer el g a s de las cá m a ra s del m ódulo (identificados por los ag u jero s F ig u ra 8.b, Figura 9.b y Figura 10.b) se pueden aumentar en función de las dimensiones finales del módulo a fin de garantizar una buena distribución de las corrientes de gases en cada una de las cámaras.Flat oxygen permeation membrane modules have been designed with various configurations shown in Figures 8, 9 and 10. These figures are not intended to give a complete sample of geom etries and fixed planes for the membrane modules, but to elucidate the internal distribution of the gas currents by the module. Likewise, there are more construction details that can be modified depending on the needs of the module. For example, the number of membranes in the module depending on the needs of the process area or the number of rails to conduct the currents to the chambers of the module or extract the gas from the chambers of the module (identified by the holes Figure 8.b, Figure 9.b and Figure 10.b) can be increased depending on the final dimensions of the module in order to guarantee a good distribution of the gas currents in each of the chambers.

La Figura 8 muestra la geometría un módulo de membranas planas (con 20 membranas) con una distribución de flujos cruzados. La Figura 8.c muestra la sección de corte B-B (Figura 8.b) del módulo de membranas con distribución de flujos cruzados con las trayectorias de la corriente gaseosa que atraviesa el módulo en la dirección B-B. La Figura 8. d muestra la sección de corte C-C (Figura 8.b) del módulo de membranas con distribución de flujos cruzados con las trayectorias de la corriente de gas que atraviesa el módulo en la dirección C-C (perpendicular a la dirección B-B). En las Figuras 8.c y 8.d se ilustra que las corrientes de gases entran por la parte superior e inferior del módulo y se extraen de la misma manera con el objetivo de minimizar las pérdidas de carga y distribuir equitativamente la corriente de gas de entrada por las diferentes cámaras del módulo.Figure 8 shows the geometry of a flat membrane module (with 20 membranes) with a cross flow distribution. Figure 8.c shows the cross section B-B (Figure 8.b) of the membrane module with cross-flow distribution with the paths of the gas current that crosses the module in the B-B direction. Figure 8.d shows the cross section C-C (Figure 8.b) of the membrane module with cross-flow distribution with the paths of the gas current that crosses the module in the C-C direction (perpendicular to the B-B direction). Figures 8.c and 8.d show that the gas streams enter through the upper and lower part of the module and are extracted in the same way with the aim of minimizing pressure losses and equally distributing the inlet gas stream. by the different cameras of the module.

La Figura 9 muestra la geometría de un módulo de membranas planas (con 20 membranas) válida tanto para una distribución de co-corriente como una distribución de flujos en contracorriente. Las secciones de corte A-A y B-B (Figura 9.b) son planos paralelos, de manera que las corrientes de gas que presentan las figuras obtenidas mediante estos planos de corte (9.c-h) circulan en la misma trayectoria con la misma dirección para la distribución de flujos en co-corriente (Figuras 9.c y 9.d) o con direcciones contrarias para la distribución de flujos en contracorriente (Figuras 9.g y 9.h). Las Figuras 9.c y 9.d ilustran las trayectorias de las corrientes de gases utilizando el módulo de membrana con una configuración de flujos en co-corriente. La Figura 9.e es una vista aumentada de la Figura 9. c para detallar la distribución de flujos en el módulo. La Figura 9.f es una vista aumentada de la Figura 9.d para detallar la distribución de flujos en el módulo. Las Figuras 9.g y 9.h ilustran las trayectorias de las corrientes de gases utilizando el módulo de membrana con una configuración de flujos en contracorriente. En las Figuras 9.c-h se ilustra que las corrientes de gases entran por parte superior e inferior del módulo y se extraen de la misma manera con el objetivo de minimizar las pérdidas de carga y distribuir equitativamente la corriente de gas de entrada por las diferentes cámaras del módulo.Figure 9 shows the geometry of a flat membrane module (with 20 membranes) valid for both a co-current distribution and a counter-current flow distribution. The cross sections A-A and B-B (Figure 9.b) are parallel planes, so that the gas currents shown in the figures obtained by means of these cut planes (9.c-h) circulate in the same trajectory with the same direction for the distribution of flows in co-current (Figures 9.c and 9.d) or with opposite directions for the distribution of flows in countercurrent (Figures 9.g and 9.h). Figures 9.c and 9.d illustrate the gas flow paths using the membrane module with a co-current flow configuration. Figure 9.e is an enlarged view of Figure 9.c to detail the flow distribution in the module. Figure 9.f is an enlarged view of Figure 9.d to detail the flow distribution in the module. Figures 9.g and 9.h illustrate the paths of the gas currents using the membrane module with a countercurrent flow configuration. Figures 9.c-h illustrate that the gas streams enter from the top and bottom of the module and are extracted in the same way with the aim of minimizing pressure losses and equitably distributing the inlet gas stream through the different chambers. of the module.

La Figura 10 muestra la geometría un módulo de membranas planas donde las corrientes de gases atraviesan varias veces el módulo de membrana en su sentido longitudinal. Esta geometría permite tanto una distribución de co-corriente como una distribución de flujos en contracorriente. Considerando como "un paso” cada vez que la corriente de gas atraviesa la membrana en su sentido longitudinal, la Figura 10 representa un módulo de 3 pasos por el módulo con 6 membranas por paso. Los planos de corte A-A y B-B (Figura 10.b) son planos paralelos, de manera que las corrientes de gas que presentan las figuras obtenidas mediante estos planos de corte (10.c-h) van en la misma trayectoria con la misma dirección para la distribución de flujos en co-corriente (Figuras.10.c y 10.d) o con direcciones contrarias para la distribución de flujos en contracorriente (Figuras 10.g y 10.h). Las Figuras 10.c y 10.d ilustran las trayectorias de las corrientes de gases utilizando el módulo de membrana con una configuración de flujos en co-corriente. La Figura 10.e es una vista aumentada de la Figura 10.c para detallar la distribución de flujos en el módulo. La Figura 10.f es una vista aumentada de la Figura 10.d para detallar la distribución de flujos en el módulo. Las Figuras 10.g y 10.h ilustran las trayectorias de las corrientes de gases utilizando el módulo de membrana con una configuración de flujos en contracorriente. Los gases entran al módulo por la parte interior para la distribución de flujos en co-corriente (Figura 10.c y 10.d) y para la Figura 10.g y la parte superior para la Figura 10.h. Los gases salen del módulo por la parte superior para la distribución de flujos en co-corriente (Figura 10.c y 10.d) y para la Figura 10.g y la parte inferior para la Figura 10.h. Figure 10 shows the geometry of a flat membrane module where the gas currents cross the membrane module several times in its longitudinal direction. This geometry allows for both a co-current distribution and a counter-current distribution of flows. Considering as "one step" each time the gas stream passes through the membrane in its longitudinal direction, Figure 10 represents a module with 3 passes per module with 6 membranes per pass. The cut planes AA and BB (Figure 10.b) are parallel planes, so that the gas currents shown in the figures obtained by means of these cut planes (10.ch) go on the same trajectory with the same direction for the distribution of flows in co-current (Figures.10.c and 10.d) or with opposite directions for the distribution of flows in countercurrent (Figures 10.g and 10.h). Figures 10.c and 10.d illustrate the gas flow paths using the membrane module with a co-current flow configuration. Figure 10.e is an enlarged view of Figure 10.c to detail the flow distribution in the module. Figure 10.f is an enlarged view of Figure 10.d to detail the flow distribution in the module. Figures 10.g and 10.h illustrate the paths of the gas currents using the membrane module with a countercurrent flow configuration. The gases enter the module from the inside for the distribution of flows in co-current (Figure 10.c and 10.d) and for Figure 10.g and the upper part for Figure 10.h. The gases leave the module through the upper part for the distribution of co-current flows (Figure 10.c and 10.d) and for Figure 10.g and the lower part for Figure 10.h.

Claims (42)

REIVINDICACIONES 1. Un procedimiento para generar y separar gases selectivamente caracterizado porque comprende:1. A process for generating and separating gases selectively characterized in that it comprises: - una primera etapa en la que se hace pasar una corriente de combustible en fase gaseosa, que comprende sustancias combustibles cuya oxidación da lugar a productos gaseosos, y una corriente de entrada rica en oxígeno a través de al menos dos módulos de membranas de separación de oxígeno, de modo que las dos corrientes entran en contacto a través de las membranas y tiene lugar un intercambio de calor entre ellas,- a first stage in which a gas phase fuel stream is passed, comprising combustible substances whose oxidation gives rise to gaseous products, and an oxygen-rich inlet stream through at least two oxygen separation membrane modules. oxygen, so that the two currents come into contact through the membranes and a heat exchange takes place between them, - una segunda etapa de difusión selectiva de oxígeno de la corriente rica en oxígeno, hacia la corriente de combustible, y tal que las corrientes de salida de los módulos de membrana son, por un lado, una corriente empobrecida en oxígeno o completamente libre de oxígeno y, por otro lado, una corriente parcialmente oxidada o completamente oxidada,- a second stage of selective diffusion of oxygen from the oxygen-rich stream, towards the fuel stream, and such that the outlet streams of the membrane modules are, on the one hand, an oxygen-depleted or completely oxygen-free stream and, on the other hand, a partially oxidized or completely oxidized stream, - una tercera etapa de recuperación de al menos dos corrientes separadas de salida, de al menos dos gases seleccionados entre oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono e hidrógeno prácticamente puros.- a third recovery stage of at least two separate outlet streams, of at least two gases selected from practically pure oxygen, nitrogen, carbon dioxide and hydrogen. 2. Un procedimiento para generar y separar gases selectivamente, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende:2. A process for selectively generating and separating gases, according to claim 1, characterized in that it comprises: - una primera etapa en la que se hace pasar una corriente de combustible en fase gaseosa, que comprende sustancias combustibles cuya oxidación da lugar a productos gaseosos, y una corriente de entrada rica en oxígeno a través de al menos dos módulos de membranas de separación de oxígeno, de modo que las dos corrientes entran en contacto a través de las membranas y tiene lugar un intercambio de calor entre ellas, generando en el primer módulo N2 prácticamente puro,- a first stage in which a gas phase fuel stream is passed, comprising combustible substances whose oxidation gives rise to gaseous products, and an oxygen-rich inlet stream through at least two oxygen separation membrane modules. oxygen, so that the two currents come into contact through the membranes and a heat exchange takes place between them, generating practically pure N2 in the first module, - una segunda etapa de difusión selectiva de oxígeno de la corriente rica en oxígeno, hacia la corriente de combustible, y tal que las corrientes de salida de los módulos de membrana son, por un lado, una corriente empobrecida en oxígeno o completamente libre de oxígeno y, por otro lado, una corriente parcialmente oxidada o completamente oxidada,- a second stage of selective diffusion of oxygen from the oxygen-rich stream, towards the fuel stream, and such that the outlet streams of the membrane modules are, on the one hand, an oxygen-depleted or completely oxygen-free stream and, on the other hand, a partially oxidized or completely oxidized stream, - una tercera etapa de recuperación de al menos dos corrientes separadas de salida, de al menos dos gases seleccionados entre oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono e hidrógeno prácticamente puros.- a third recovery stage of at least two separate outlet streams, of at least two gases selected from practically pure oxygen, nitrogen, carbon dioxide and hydrogen. 3. Un procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la corriente de entrada rica en oxígeno está seleccionada entre aire, vapor de agua y combinaciones de las mismas. A method according to claim 1, characterized in that the oxygen-rich input stream is selected from air, steam and combinations thereof. 4. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque en la segunda etapa la oxidación del combustible es completa.4. A process according to any of claims 1 or 2, characterized in that in the second stage the oxidation of the fuel is complete. 5. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la corriente de entrada rica en oxígeno es aire y las dos corrientes separadas de salida son de nitrógeno y dióxido de carbono.A process according to any one of the preceding claims, characterized in that the oxygen-rich input stream is air and the two separate output streams are nitrogen and carbon dioxide. 6. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la corriente de entrada rica en oxígeno es aire y hay, al menos, tres corrientes separadas de salida: de oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono.A process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the oxygen-rich inlet stream is air and there are at least three separate outlet streams: oxygen, nitrogen and carbon dioxide. 7. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la corriente de entrada rica en oxígeno es vapor de agua y las dos corrientes separadas de salida son de hidrógeno y dióxido de carbono.A process according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the oxygen-rich input stream is steam and the two separate output streams are hydrogen and carbon dioxide. 8. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la corriente rica en oxígeno es vapor de agua y hay, al menos, tres corrientes separadas de salida: son de oxígeno, hidrógeno y dióxido de carbono.A process according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the oxygen-rich stream is steam and there are at least three separate outlet streams: oxygen, hydrogen and carbon dioxide. 9. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el intercambio de gases entre las dos corrientes de entrada a los módulos de membrana se realiza a una temperatura entre 600 °C y 1500 °C.9. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas exchange between the two input currents to the membrane modules is carried out at a temperature between 600 °C and 1500 °C. 10. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además una etapa de presurización de las corrientes de entrada en un primer dispositivo compresor de gases, a presiones absolutas comprendidas entre 2 y 15 bar obteniendo corrientes de entrada presurizadas.10. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a stage of pressurizing the inlet streams in a first gas compressor device, at absolute pressures between 2 and 15 bar, obtaining pressurized inlet streams. 11. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende, además, una etapa de precalentamiento de las corrientes de entrada presurizadas, con calor desprendido por las corrientes de salida, obteniendo corrientes de entrada presurizadas precalentadas. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a stage of preheating the pressurized inlet streams, with heat released by the outlet streams, obtaining preheated pressurized inlet streams. 12. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los flujos de la corriente gaseosa combustible y de la corriente rica en oxígeno se disponen en contracorriente.A process according to any one of the preceding claims, in which the flows of the combustible gas stream and the oxygen-rich stream are arranged in countercurrent. 13. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la corriente de salida empobrecida en oxígeno se introduce en una turbina para su revalorización energética.13. A method according to any one of the preceding claims, in which the oxygen-depleted outlet stream is introduced into a turbine for its energy recovery. 14. Un procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores en el que el primer dispositivo compresor de gases y la turbina están conectados al mismo eje.A method according to one of the preceding claims, in which the first gas compressor device and the turbine are connected to the same shaft. 15. Un procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que se lleva a cabo en al menos tres módulos seleccionados entre:15. A method according to one of the preceding claims, which is carried out in at least three modules selected from among: - un primer módulo de membranas en el que se oxida parcialmente la corriente gasificada de combustible,- a first membrane module in which the gasified fuel stream is partially oxidized, - un segundo módulo de membranas en el que se oxida completamente la corriente gasificada de combustible,- a second membrane module in which the gasified fuel stream is completely oxidized, - un tercer módulo de membrana en el que se realiza la extracción de oxígeno.- a third membrane module in which oxygen extraction is carried out. 16. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que en el segundo módulo de membranas se utilizan flujos cruzados, flujos en co-corriente o flujos en contracorriente.A method according to claim 1, wherein cross-flow, co-current flow or counter-current flow is used in the second membrane module. 17. Un procedimiento según la reivindicación 15, en el que se produce CO2 y agua líquida de la corriente gaseosa combustible oxidada que sale del segundo módulo, siendo el agua condensada mediante un condensador-separador dispuesto a la salida del segundo módulo, del cual salen dos corrientes de salida: una corriente gaseosa combustible oxidada -compuesta mayoritariamente por CO2- y una corriente de agua líquida.17. A process according to claim 15, in which CO2 and liquid water are produced from the oxidized combustible gaseous current that comes out of the second module, the water being condensed by means of a condenser-separator arranged at the outlet of the second module, from which two outlet streams: an oxidized combustible gas stream -composed mainly of CO2- and a stream of liquid water. 18. Un procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que se obtienen dióxido de carbono y nitrógeno, y se lleva a cabo una recirculación de parte del dióxido de carbono o el nitrógeno obtenidos en el procedimiento, de modo que se produce una dilución de la corriente gaseosa combustible y se absorben los calores de oxidaciónA process according to one of the preceding claims, in which carbon dioxide and nitrogen are obtained, and a recirculation of part of the carbon dioxide or nitrogen obtained in the process is carried out, so that a dilution is produced. from the combustible gas stream and the heats of oxidation are absorbed 19. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que se utilizan tres módulos de membranas, y tal que A method according to claim 1, in which three membrane modules are used, and such that - toda la corriente de entrada rica en oxígeno que procede del segundo intercambiador de calor se introduce en el segundo módulo de membrana,- all the oxygen-rich inlet stream coming from the second heat exchanger is fed into the second membrane module, - la corriente empobrecida en oxígeno de salida del segundo módulo de membrana se dosifica mediante un sistema de válvulas que circulan esta corriente parcialmente:- the oxygen-depleted stream exiting the second membrane module is metered by means of a valve system that partially circulates this stream: - al primer módulo de membrana como corriente que suministra oxígeno como una corriente empobrecida en oxígeno que contiene una cantidad de oxígeno menor la cantidad estequiométrica para oxidar completamente la corriente gasificada de combustible, y - al tercer módulo de membrana como corriente que suministra oxígeno al tercer módulo y a la turbina.- to the first membrane module as a stream supplying oxygen as an oxygen-depleted stream containing an amount of oxygen less than the stoichiometric amount to fully oxidize the gasified fuel stream, and - to the third membrane module as a stream supplying oxygen to the third module and the turbine. 20. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que se utilizan el segundo y tercer módulos de membrana,20. A method according to claim 1, wherein the second and third membrane modules are used, - toda la corriente de entrada gasificada, de combustible, presurizada calentada, que procede del primer intercambiador de calor se introduce en el segundo módulo de membrana, y- all the gasified, fuel, pressurized heated input stream coming from the first heat exchanger is introduced into the second membrane module, and - toda la corriente de entrada rica en oxígeno que procede del segundo intercambiador de calor se introduce en el segundo módulo de membrana.- all of the oxygen-rich input stream coming from the second heat exchanger is fed into the second membrane module. 21. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que:A method according to claim 1, wherein: - se utilizan únicamente el primer y segundo módulos de membrana,- only the first and second membrane modules are used, - la corriente de salida empobrecida en oxígeno, del segundo módulo de membrana es recirculada a la turbina como corriente de entrada de la turbina.- the oxygen-depleted outlet stream from the second membrane module is recirculated to the turbine as turbine inlet stream. 22. Un procedimiento según la reivindicación 21, en el que se obtiene una corriente de salida de CO2 y una corriente empobrecida en oxígeno de salida de los módulos donde se produce una oxidación parcial y, ambas corrientes de salida son presurizadas después de ser enfriadas.22. A method according to claim 21, in which a CO2 outlet stream and an oxygen-depleted stream are obtained from the modules where partial oxidation occurs and both outlet streams are pressurized after being cooled. 23. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que se utilizan el primer y el tercer módulos de membrana,A method according to claim 1, wherein the first and third membrane modules are used, - la corriente gaseosa de combustible parcialmente oxidado que sale del primer módulo de membrana y la corriente de salida empobrecida en oxígeno, del tercer módulo de membrana se introducen en un combustor para terminar de oxidar el material combustible de la corriente gaseosa parcialmente oxidado, y- the partially oxidized fuel gas stream leaving the first membrane module and the oxygen-depleted output stream from the third membrane module are introduced into a combustor to finish oxidizing the partially oxidized fuel material of the gas stream, and - la corriente de salida del combustor se introduce en la turbina. - the output current of the combustor is introduced into the turbine. 24. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que se utilizan módulos de membrana adicionales, además del primero, segundo y tercer módulos de membrana, en los módulos adicionales se purifican las corrientes de los gases producidos en el primer módulo de membrana y el segundo módulo de membrana eliminando de ellos el oxígeno, y24. A process according to claim 1, wherein additional membrane modules are used, in addition to the first, second and third membrane modules, in the additional modules the streams of gases produced in the first membrane module and the second membrane module removing oxygen from them, and - la corriente gaseosa combustible entra en los módulos adicionales como corriente de arrastre.- the combustible gas stream enters the additional modules as an entrainment stream. 25. Un procedimiento según la reivindicación anterior en el que los módulos de membrana presentan una distribución de flujos a contracorriente para asegurar el intercambio completo de oxígeno desde las corrientes a purificar hasta las corrientes combustibles.25. A process according to the preceding claim in which the membrane modules have a countercurrent flow distribution to ensure complete oxygen exchange from the streams to be purified to the combustible streams. 26. Un procedimiento según la reivindicación 24 en el que las corrientes de los gases de salida se purifican mediante membranas poliméricas de permeación de oxígeno, después de ser enfriadas hasta temperatura ambiente y presurizadas.A process according to claim 24 in which the off-gas streams are purified by polymeric oxygen permeation membranes, after being cooled to room temperature and pressurized. 27. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que la fuente de la corriente gasificada combustible es biomasa, la cual es gasificada mediante un reactor termoquímico, siendo las corrientes de entrada al reactor termoquímico:27. A process according to claim 1, in which the source of the combustible gasified stream is biomass, which is gasified by a thermochemical reactor, the input streams to the thermochemical reactor being: - la biomasa- biomass - una corriente de arrastre compuesta por un gas inerte y, opcionalmente, vapor de agua,- a drag stream made up of an inert gas and, optionally, steam, - y, opcionalmente, una corriente de entrada rica en oxígeno.- and, optionally, an inlet stream rich in oxygen. 28. Un procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la corriente de entrada, que contienen materias combustibles, comprende, uno o más productos seleccionados entre CO, H2, H2S, metano, gases licuados de petróleo, alcoholes, olefinas, peróxidos, compuestos aromáticos, ácidos orgánicos, aminas orgánicas, naftas, asfaltos, bitúmenes, gasóleo, aceites o grasas vegetales, animales o minerales, carbones, y mezclas de ellos.28. A process, according to claim 1, in which the input stream, which contains combustible materials, comprises one or more products selected from among CO, H2, H2S, methane, liquefied petroleum gases, alcohols, olefins, peroxides, aromatic compounds, organic acids, organic amines, naphthas, asphalts, bitumen, gas oil, vegetable, animal or mineral oils or fats, coals, and mixtures thereof. 29. Un procedimiento, según una de las reivindicaciones 1 a 13, en el que dos o más corrientes gaseosas de salida tienen una pureza superior a 95%, en base seca, de uno de los siguientes gases elegidos entre N2, O2, H2 y CO2.29. A process according to one of claims 1 to 13, in which two or more gaseous outlet streams have a purity greater than 95%, on a dry basis, of one of the following gases chosen from N2, O2, H2 and CO2. 30. Una instalación para llevar a cabo el procedimiento definido en una de las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos:30. An installation to carry out the procedure defined in one of the preceding claims, comprising at least: - dos módulos de membranas de separación de oxígeno - two oxygen separation membrane modules - compresores de gases que impulsan las corrientes de entrada a los módulos de membrana- gas compressors that drive the input currents to the membrane modules - dispositivos intercambiadores de calor entre corrientes gaseosas entrantes o salientes en módulos de membrana,- heat exchanger devices between incoming or outgoing gas streams in membrane modules, - una turbina dispuesta para recibir al menos gas de uno de los módulos de membrana y producir trabajo- a turbine arranged to receive at least gas from one of the membrane modules and produce work - al menos dos líneas de corrientes de gases de salida individuales separados procedentes de los módulos de membranas de separación de oxígeno- at least two separate individual flue gas stream lines from the oxygen separation membrane modules y en la que cada módulo de membrana de separación de oxígeno comprende un conjunto de membranas planas paralelas.and wherein each oxygen separation membrane module comprises an array of planar parallel membranes. 31. Una instalación según la reivindicación 30, que incluye adicionalmente, al menos, un módulo de membrana basado en conductores iónicos y electrónicos cerámicos, y compuesto por canales paralelos y planos que facilitan el contacto entre corrientes gaseosas aisladas por la membrana y que tiene como única entrada una corriente rica en oxígeno, y como salidas (i) una corriente de rechazo, empobrecida en oxígeno respecto a la corriente de entrada, y (ii) una corriente rica en oxígeno con pureza superior a 95% y que se encuentra a vacío .entre 1 y 750 mbar-.31. An installation according to claim 30, which additionally includes at least one membrane module based on ceramic ionic and electronic conductors, and made up of parallel and flat channels that facilitate contact between gaseous currents isolated by the membrane and whose single inlet a stream rich in oxygen, and as outputs (i) a reject stream, depleted in oxygen compared to the inlet stream, and (ii) a stream rich in oxygen with purity greater than 95% and which is under vacuum .between 1 and 750 mbar-. 32. Una instalación según la reivindicación 30, en la que los módulos de membrana comprenden membranas de separación basadas en conductores iónicos y electrónicos cerámicos, y soportes cerámicos porosos.An installation according to claim 30, wherein the membrane modules comprise separation membranes based on ceramic ionic and electronic conductors, and porous ceramic supports. 33. Una instalación según la reivindicación 30, en la que los módulos de membrana comprenden un catalizador para la oxidación efectiva de los componentes combustibles con el oxígeno difundiendo a través de la membrana.An installation according to claim 30, in which the membrane modules comprise a catalyst for the effective oxidation of the fuel components with oxygen diffusing through the membrane. 34. Una instalación según la reivindicación 30, en la que el flujo de las dos corrientes, que facilita el intercambio de materia y calor, en los módulos de membrana se realiza a contracorriente y se proporciona suficiente longitud para un intercambio efectivo. An installation according to claim 30, in which the flow of the two currents, which facilitates the exchange of matter and heat, in the membrane modules is carried out in countercurrent and sufficient length is provided for an effective exchange. 35. Una instalación según la reivindicación 30, que incluye adicionalmente, al menos, un módulo de separación basado en membranas poliméricas o inorgánicas porosas selectivas a la difusión de nitrógeno y que permita obtener a temperaturas inferiores a 400°C una corriente enriquecida en nitrógeno a partir de una alimentación de aire presurizado.35. An installation according to claim 30, which additionally includes at least one separation module based on porous polymeric or inorganic membranes selective for nitrogen diffusion and which allows obtaining a current enriched in nitrogen at temperatures below 400°C. from a pressurized air supply. 36. Una instalación según la reivindicación 30, que comprende adicionalmente una unidad de separación de agua y gas.An installation according to claim 30, further comprising a water and gas separation unit. 37. Una instalación según la reivindicación 30 que comprende al menos:37. An installation according to claim 30 comprising at least: - un primer módulo de membranas de separación de oxígeno, que tiene dos entradas para - una primera corriente gasificada de combustible y- a first oxygen separation membrane module, which has two inlets for - a first gasified stream of fuel and - una corriente de entrada rica en oxígeno.- an inlet stream rich in oxygen. - un primer compresor de gases que permite presurizar la corriente gaseosa combustible, y que sale del compresor como una corriente gaseosa combustible presurizada, hacia - un primer dispositivo intercambiador de calor que permite calentar la corriente gaseosa combustible presurizada y que sale del intercambiador como una corriente gaseosa combustible presurizada precalentada- a first gas compressor that makes it possible to pressurize the combustible gas stream, and which leaves the compressor as a pressurized combustible gas stream, towards - a first heat exchanger device that allows the pressurized combustible gas stream to be heated and which leaves the exchanger as a stream preheated pressurized fuel gas - un segundo compresor de gases que permite presurizar la corriente de entrada rica en oxígeno, y que sale del compresor como una corriente de entrada rica en oxígeno presurizada- a second gas compressor that makes it possible to pressurize the oxygen-rich inlet stream, and which leaves the compressor as a pressurized oxygen-rich inlet stream - un dispositivo intercambiador de calor de gases a contracorriente que permite calentar:- a countercurrent gas heat exchanger device that allows heating: - la corriente de entrada rica en oxígeno presurizada hasta la temperatura de entrada al primer módulo de membrana, y que sale del intercambiador de calor como una corriente de entrada rica en oxígeno presurizada calentada,- the oxygen-rich inlet stream pressurized to the inlet temperature to the first membrane module, and exiting the heat exchanger as a heated pressurized oxygen-rich inlet stream, - y una corriente empobrecida en oxígeno que proviene de una turbina- and an oxygen-depleted stream coming from a turbine - al menos dos líneas de corrientes de salida de gases individuales separados procedentes de un segundo y un tercer módulos de membranas de separación de oxígeno- at least two separate individual gas outlet stream lines from second and third oxygen separation membrane modules y en la que cada módulo de membrana de separación de oxígeno comprende un conjunto de membranas planas paralelas.and wherein each oxygen separation membrane module comprises an array of planar parallel membranes. 38. Una instalación según la reivindicación 30, en la que al menos, un compresor y una turbina están acoplados axialmente para utilizar la energía mecánica de la expansión en la compresión de una corriente gaseosa. An installation according to claim 30, in which at least one compressor and a turbine are axially coupled to use the mechanical energy of the expansion in the compression of a gas stream. 39. Una instalación según la reivindicación 30, en la que el acoplamiento se realiza mediante turbinas-compresores axiales o sistemas del tipo turbocompresor.39. An installation according to claim 30, in which the coupling is carried out by means of axial turbine-compressors or turbocharger-type systems. 40. Una instalación según la reivindicación 30, que comprende tres módulos de membranas y en la que la corriente de salida del segundo módulo de membranas es separada en tres líneas de corriente, las cuales comprenden cada una de ellas una válvula dosificadora, y de las cuales dos de las líneas de corriente conducen al primer o segundo módulo permitiendo la recirculación de gases, y la tercera línea de corriente conduce al tercer módulo de membranas, permitiendo el avance del proceso.40. An installation according to claim 30, comprising three membrane modules and in which the outlet stream from the second membrane module is separated into three stream lines, each of which comprises a dosing valve, and of which which two of the current lines lead to the first or second module allowing the recirculation of gases, and the third current line leads to the third membrane module, allowing the progress of the process. 41. Una instalación según la reivindicación 30, que comprende dos módulos de membranas.An installation according to claim 30, comprising two membrane modules. 42. Una instalación según la reivindicación 30, que comprende más de tres módulos de membranas. An installation according to claim 30, comprising more than three membrane modules.
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